KR102157125B1 - 지하수 관정용 수질 개선 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메인 파이프와, 지하수 관정의 내부우물자재 천공용 타공부 및 제1 복동형 실린더를 포함하는 천공 장치와, 내부우물자재에 타공된 제1천공 부위에 제1그라우팅재를 주입하는 장치로서 실리콘을 내장하며 실리콘 주입용 실린더 및 제2 복동형 실린더를 포함하는 실리콘 주입장치와, 내부우물자재에 타공된 제2천공 부위에 제2그라우팅재를 주입하는 장치로서 초속경 시멘트 주입관과 제3 복동형 실린더를 포함하는 그라우팅재 주입장치와, 지하수 관정 외부에 설치되며, 상기 메인 파이프를 회전시켜 상기 천공장치의 타공부에 동력을 인가하는 모터부와, 지하수 관정 외부에 설치되며, 상기 실리콘 주입용 실린더 및 제1 복동형 실린더, 제2 복동형 실린더, 제3 복동형 실린더에 유압을 공급하는 유압펌프와, 지하수 관정 상단에 배치되어 상기 메인 파이프를 지지하면서 메인 파이프의 회전각을 확인할 수 있는 각도 지침이 마련되어 있는 홀드부를 포함하며, 상기 천공장치, 실리콘 주입장치, 및 그라우팅재 주입장치는 각각의 장치가 모듈화되며, 지하수 관정으로 투입되는 메인 파이프의 하단에 수직 방향으로 천공장치, 실리콘 주입장치 및 그라우팅재 주입장치의 순서로 연결되어 일체화되어 있고, 각각의 장치에는 카메라가 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 지하수 관정의 수질 개선 장치를 제공한다.

Description

지하수 관정용 수질 개선 장치 {Water quality improvement apparatus for underground water well}

본 발명은 지하수 관정용 수질 개선 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 지하수 관정 내부우물자재에 천공 작업과 그라우팅 작업을 순차적으로 진행할 수 있도록 시스템화된 새로운 수질 개선 장치를 제안한다.

지하수는 지표에 내린 빗물이나 눈이 땅속으로 침투하여 고여 있거나 흐르는 상태의 물로서 하천수 등의 지표수와 함께 주요 수자원으로 활용되고 있으며, 최근에는 기후 변화로 인한 가뭄에 대비하기 위해 비상용수 또는 대체수자원으로서의 가치가 증가하고 있다.

농업용, 공업용 등의 용수 및 농어촌의 생활용수를 공급하기 위해서는 지반에 관정을 뚫고, 관정의 내부에 케이싱을 설치하며, 상기 케이싱을 관통하여 관정의 내부에 양수관을 삽입한 다음 펌프를 사용하여 지하수를 양수하여 사용하고 있는 것이 일반적인 형태이다. 예를 들어 도 1에 도시한 바와 같이 시추기와 콤퓨레셔 등 장비를 이용하여 지면(G) 아래로 굴착하여 지하수 관정을 형성하며, 소공, 중공, 대공에 따라 관정 깊이가 달라지지만 최소 20m 에서 많게는 500m 이상 굴착하는 경우도 있다. 굴착된 관정 내부에는 지하수맥에 연결되는 파쇄층(F)을 통해 유입되는 지하수가 모이게 되며 관정 내부 일정 깊이에 지하수의 자연수위(UW)가 형성된다. 이러한 나공 상태의 관정에 도 2에 도시한 바와 같이 PVC나 스테인리스 재질의 파이프 형태의 내부우물자재(P)가 투입되며, 관정 내부 깊이에 대응하도록 복수의 파이프가 연결소켓부(P1)에 의해 결합되어 있고, 유공부(P2)를 통해 관정의 수맥층으로부터 유입되는 지하수를 우물자재 내부로 유입시켜 우물자재 내부에서 자연수위가 마련되도록 한다.

암반 사이에 흐르고 있는 지하수는 암반공을 통하여 관정에 모이게 되고, 상기 관정에 모인 지하수는 수중모터펌프의 작동에 의해 강제 흡입된 후 양수관을 따라 송수배관으로 공급된다.

지하수는 단기간에 저렴한 비용으로 안전한 용수를 확보할 수 있다는 점에서 효용성이 크다. 그러나 지하수는 빗물 등에 의해 보충되는 양보다 과도하게 사용하거나 오염물질이 침투되어 수질이 악화되는 경우에는 재생과 회복에 오랜 시일과 노력이 필요하다. 따라서, 지하수를 개발한 후 지하수 관정의 오염 방지와 더불어, 물 부족 문제가 발생하지 않고 안정적인 물 공급이 가능하도록 지하수 관정을 지속적으로 관리하는 것이 중요하다.

지하수 관정 인근에 축사나 농장, 공장 등이 있는 경우 축산분뇨, 농약, 공장폐수 등이 유입될 수 있다. 특히 빗물이 지하로 들어오는 통로인 숨골이 수맥층과 연결되는 경우 관정의 지하수는 쉽게 오염될 수 있다. 지하수 관정 개발 후 인접 지역의 오염원이 유입되어 지하수 수질이 부적합하게 된 경우, 관정 내부의 우물자재를 전부 외부로 인양하여 암반층이 드러난 나공 상태의 관정 내부를 카메라로 검사하는 방법을 취할 수도 있으나, 우물자재 인양 작업에 대한 위험부담이 크고 이 과정에서 지하수 관정이 무너지는 경우도 발생할 수 있다. 본 출원인은 특허출원 10-2018-0130309호를 통해 지하수 관정 내부의 오염원 발생 여부, 오염원 발생 깊이 및 위치 등을 비파괴적으로 확인할 수 있는 기술을 제안한 바 있다.

한편, 지하수 관정의 오염원의 위치를 확인한 후에는 해당 위치의 오염원으로부터 지하수가 유입되지 않도록 차폐하는 수질 개선 작업이 진행되어야 한다. 기존의 지하수 관정 수질 개선을 위한 공정 및 장비에는 지하수 관정 내부의 오염원 위치를 1차 타공하는 천공장치(도 3a 참조)와, 천공된 위치에 실리콘을 주입하여 1차 차폐시키는 실리콘 주입장치(도 3b 참조), 최초 천공된 부위의 위쪽에 2차 타공한 후 시멘트를 주입하여 2차적으로 영구 차폐시키는 그라우팅재 주입장치(도 3c 참조)를 포함하고 있다.

이와 같은 기존의 수질 개선 장비 및 작업 방법에 따르면, 천공장치, 실리콘 주입장치, 그라우팅재 주입장치가 각각 별도로 구비되며, 각 장치는 1회 작업 후 다음 작업을 위하여 철거된 후 다른 장치가 설치되어 후속 작업이 진행되기 때문에 각 장치의 설치 및 철거가 반복되는 과정에서 작업 시간이 늘어나게 되어 투입 인원 및 비용이 과다하게 되는 문제가 있다. 또한, 구동 동력장치로 착정기와 차량엔진용 대형 유압펌프가 필요하고(도 3d 참조), 각 장치별로 영상 촬영을 위하여 여러 대의 카메라와 천공 및 그라우팅 작용을 위하여 다수의 실린더가 요구되며, 각각의 실린더에는 복수의 유압 호스가 연결되는 등 전체적인 작업 환경이 복잡하게 되고 각 공정을 위하여 관정에 투입되는 장치가 관정 내부로 추락할 위험이 상존하는 등 작업 안정성을 확보하기 어려운 단점이 있다.

지하수 관정의 오염원을 차폐하기 위한 각종 그라우팅 관련 장비 및 방법에 관하여 공개특허 10-1998-0087592, 등록특허 10-1341169 등 개량된 기술이 제안된 바 있으나, 그라우팅 작업의 일부를 개선하는데 불과하고 전술한 수질개선 작업의 근본적인 문제점들은 해결하지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 지하수 관정의 오염원을 제거하기 위하여, 내부 우물 자재 내에 오염원 발생 위치를 차폐하기 위한 천공 작업, 실리콘 주입, 그라우팅재 주입의 각 작업을 별도의 장치로 진행하지 않고 하나의 시스템화된 장치로 진행할 수 있는 새로운 수질 개선 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 지하수 수질 개선을 위한 작업 시 천공, 실리콘 주입, 그라우팅재 주입 등을 위한 각각의 해당 장치 설치 및 철거를 반복하지 않고 단시일 내에 전체 공정을 완료할 수 있는 수질 개선 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 지하수 수질 개선을 위한 작업 진행 시 작업 안정성이 향상되고 작업 투입 인원을 줄이면서도 전체 공정 비용을 절감할 수 있도록 새로운 수질 개선 작업이 가능한 장치를 제공하는 것이다.

기타, 본 발명의 또 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 상세한 설명에서 보다 구체적으로 제시될 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 메인 파이프와, 지하수 관정의 내부우물자재 천공용 타공부 및 제1 복동형 실린더를 포함하는 천공 장치와, 내부우물자재에 타공된 제1천공 부위에 제1그라우팅재를 주입하는 장치로서 실리콘을 내장하며 실리콘 주입용 실린더 및 제2 복동형 실린더를 포함하는 실리콘 주입장치와, 내부우물자재에 타공된 제2천공 부위에 제2그라우팅재를 주입하는 장치로서 초속경 시멘트 주입관과 제3 복동형 실린더를 포함하는 그라우팅재 주입장치와, 지하수 관정 외부에 설치되며, 상기 메인 파이프를 회전시켜 상기 천공장치의 타공부에 동력을 인가하는 모터부와, 지하수 관정 외부에 설치되며, 상기 실리콘 주입용 실린더 및 제1 복동형 실린더, 제2 복동형 실린더, 제3 복동형 실린더에 유압을 공급하는 유압펌프와, 지하수 관정 상단에 배치되어 상기 메인 파이프를 지지하면서 메인 파이프의 회전각을 확인할 수 있는 각도 지침이 마련되어 있는 홀드부를 포함하며, 상기 천공장치, 실리콘 주입장치, 및 그라우팅재 주입장치는 각각의 장치가 모듈화되며, 지하수 관정으로 투입되는 메인 파이프의 하단에 수직 방향으로 천공장치, 실리콘 주입장치 및 그라우팅재 주입장치의 순서로 연결되어 일체화되어 있고, 각각의 장치에는 카메라가 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 지하수 관정의 수질 개선 장치를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 천공 장치의 상단 또는 하단에 배치되는 채수용 수중모터를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 천공 장치와 실리콘 주입장치 사이 및 상기 실리콘 주입장치와 그라우팅재 주입장치 사이에는 꺾임 또는 굴절이 가능하도록 관절형 연결부가 포함되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 지하수 관정의 수질 개선 장치는 상기 홀드부로서 내부 중앙에 메인 파이프 통과홀이 있고 표면에 각도 지침이 표시되어 있는 지지판, 상기 메인 파이프 외주면에 결합되어 메인 파이프를 지지하면서 수평 방향으로는 지침계가 마련되어 있는 파이프 홀더, 및 상기 지지판과 파이프 홀더 사이에 배치되는 판베어링을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 지하수 관정의 수질 개선 장치는 상기 천공장치 상단에 위치 고정용 실린더가 추가로 배치되고, 이 경우 상기 메인 파이프 외주면에 고정 플레이트가 장착되며 위치 고정용 실린더의 동작에 의해 위치 고정용 실린더와 고정 플레이트 간의 접촉 및 비접촉 동작에 따라 메인 파이프의 회전이 천공장치 자체 회전 또는 천공장치의 천공부의 회전이 되도록 선택할 수 있다.

본 발명에 따르면, 통합적이고 시스템화된 수질 개선 장치를 통해 천공 작업과 실리콘 주입 및 시멘트 주입에 이르는 각 공정을 장비의 설치 및 교체 없이 순차적으로 진행할 수 있다. 상호 연결되어 일체화된 각각의 장치들을 모듈화하여 장치 구성 및 제조가 용이하고 각 단위 장치의 조립 및 분해 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 지하수 관정 외부의 지상부에 구동부, 홀더부, 모니터 등을 배치하고, 지하수 관정 내부에 천공 장치, 수중모터, 실리콘 주입장치, 그라우팅재 주입장치 등을 투입시켜 각 단위 공정 및 전체 작업 효율이 증가하는 한편, 입체적인 수질 개선 작업을 실시할 수 있다.

본 발명의 수질 개선 장치는 현장 투입 인원 최소화하고 비용을 절감하는 한편, 작업의 전문성을 강화시킬 수 있다. 또한, 장치의 1회 설치로 모든 작업을 순차적으로 진행한 후 한 번에 철거 가능하여 1 ~ 2일 내에 모든 작업을 완료할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 지하수 관정의 나공 상태를 보인 모식도
도 2는 지하수 관정 내부에 우물자재가 삽입된 후의 모식도
도 3a 내지 3d는 기존의 수질 개선 작업에 사용되는 장치들을 보인 사진
도 4는 본 발명의 수질 개선 장치의 전체 구조를 보인 모식도
도 5는 천공 장치를 보인 모식도
도 6은 실리콘 주입 장치를 보인 모식도
도 7은 그라우팅재 주입 장치를 보인 모식도
도 8은 관절형 연결부를 보인 모식도
도 9a 및 9b는 메인 파이프 결합부를 보인 모식도
도 10a 및 10b는 선 꼬임 방지부를 보인 모식도
도 11은 복동형 실린더 동작을 보인 모식도
도 12a 및 12b는 메인 파이프의 홀드부를 보인 모식도
도 13은 본 발명에 따른 지하수 관정의 수질 개선 공정을 보인 모식도

본 발명은 천공장치, 실리콘 주입장치, 및 그라우팅재 주입장치가 상호 연결되어 시스템화된 방식 및 구조로 일체화되어 있는 새로운 장치를 제안한다.

본 발명은 기존 수질개선장치와 달리, 중장비를 사용하지 않고 소형 유압모터나 전동모터를 동력원으로 하여 천공 작업이 가능하고 소형 유압 펌프로 실린더를 동작시켜 실리콘 주입, 및 그라우팅 주입을 순차적으로 진행할 수 있다.

각각의 장치들을 모듈화(박스화)하여 장치 구성 및 제조가 용이하고 각 단위 장비의 조립 및 분해 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 지하수 관정 외부의 지상부에 동력 발생을 위한 구동부(모터, 펌프 등), 회전각 확인이 가능한 홀더부, 모니터 등을 배치하고, 지하수 관정 내부에는 천공 장치, 수중모터, 실리콘 주입장치, 그라우팅재 주입장치 등을 투입시켜 각 단위 공정 및 전체 작업 효율이 증가하는 한편, 입체적인 수질 개선 작업을 실시할 수 있다.

지하수 관정 내부로 투입되는 각 장치에는 개별적으로 1개의 복동형 실린더와 1개의 카메라를 각각 구비하여 전체적인 장비 구성이 심플하고, 지하수 관정 상단에서 메인 파이프를 지지하는 홀드부에 각도 지침을 마련하여 표기하고 메인 파이프를 수동으로 회전시킴으로써 동시에 천공 장치도 회전되며 지상에서 쉽게 타공 부위 각도 조절이 가능하다.

이하, 도면을 참조하며 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 수질 개선 장치의 기술적 특징 및 효과에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

도 4는 본 발명의 수질 개선 장치(100)의 전체 구조를 보인 모식도로서, 메인파이프(110)와, 지하수 관정의 내부우물자재 천공용 타공부(122)를 포함하는 천공 장치(120), 내부우물자재(P)에 타공된 제1천공 부위에 제1그라우팅재로서 실리콘을 주입하는 실리콘 주입 장치(130), 내부우물자재에 타공된 제2천공 부위에 제2그라우팅재로서 시멘트 등을 주입하는 그라우팅재 주입 장치(140)를 포함한다.

메인 파이프는 상부 일부분이 지하수 관정 상단으로 노출되고 나머지 부분은 지하수 관정의 내부 우물 자재로 투입되며, 통상 수십 미터에서 수백 미터에 이르는 길이로 형성되므로 중간 중간 결합부(112)에 의해 상호 연결되는 것이 바람직하다. 상기 천공장치, 실리콘 주입장치, 및 그라우팅재 주입장치는 각각의 장치가 모듈화되며, 지하수 관정으로 투입되는 메인 파이프의 하단에 수직 방향으로 천공장치, 실리콘 주입장치 및 그라우팅재 주입장치의 순서로 연결되어 일체화된다. 이와 같이 메인 파이프에 수직 방향으로 순차적으로 연결되는 천공 장치, 실리콘 주입 장치, 그라우팅재 주입 장치를 배치함으로써 지하수 관정의 내부 우물 자재에 필요한 수질 개선 작업 순서에 맞게 각 공정을 진행할 수 있다.

천공 장치, 실리콘 주입 장치, 그라우팅재 주입 장치에는 각각 복동형 실린더(124, 134, 144) 및 카메라(도 5의 128, 도 6의 138, 도 7의 148 참조)가 각각 배치된다. 상기 천공 장치와 실리콘 주입장치 사이 및 상기 실리콘 주입장치와 그라우팅재 주입장치 사이에는 꺾임 또는 굴절이 가능하도록 관절형 연결부(C1, C2)가 포함되어 있고, 이에 관해서는 후술한다.

각 공정에 필요한 동력원은 지하수 관정 외부에 배치하며, 제1동력원으로서 전동모터 또는 유압모터를 지상부에 설치하고 지하수 관정 내부로 투입되는 천공장치와 메인파이프를 상호 연결된 상태에서 메인 파이프를 회전시켜 천공장치의 천공부(예를 들어, 드릴날)을 회전시킬 수 있도록 동력을 전달한다. 또한, 제2동력원으로서 유압 펌프를 지하수 관정 외부의 지상부에 설치하고, 실리콘 주입용 실린더나 천공장치, 실리콘 주입장치, 및 그라우팅재 주입장치에 각각 설치되는 복동형 실린더에 동력을 전달하여 실리콘 주입이나 각 장치를 해당 작업 진행 시 내부우물자재 내면에 안정적으로 고정하여 지지할 수 있다.

이를 위하여 본 발명의 수질 개선 장치는 지하수 관정 외부에 상기 메인 파이프를 회전시켜 상기 천공장치의 타공부에 동력을 인가하는 모터부와, 상기 실리콘 주입 장치에서 실리콘을 주입하기 위한 실린더(136) 및 제1 복동형 실린더(124), 제2 복동형 실린더(134), 제3 복동형 실린더(144)에 유압을 공급하는 유압펌프가 설치된다. 모터부와 유압 펌프를 구성하기 위하여 관정 외부에 적어도 두 개의 동력부(160, 162)를 구비할 수 있는데, 예를 들어 제1동력부(160)에 유압 펌프를 설치하고 제2동력부에 전동 모터를 설치하거나, 제1동력부에 전동 모터 또는 유압 모터를 설치하고 제2동력부에는 감속 기어부를 배치하는 한편 유압 펌프는 별도의 위치에 설치할 수 있다.

소형 유압 모터 또는 전동 모터에 메인 파이프를 직접 연결하여 메인 파이프에 회전력을 발생시킬 수 있으며, 별도의 동력 전달 수단(체인이나 벨트, 기어 등)에 의해 모터부에서 메인 파이프로 회전력을 전달하는 것도 가능하다. 지상부의 유압 펌프는 유압 호스를 통해 각각의 실린더에 동력을 전달하며, 유압 호스는 후술하는 바와 같이 선 꼬임을 방지하기 위한 수단에 의해 메인 파이트 및 각 장치의 회전 동작에도 불구하고 안정적으로 선형적인 라인 형태를 유지할 수 있다.

본 발명의 수질 개선 장치는 각 부분이 지상에서 연결되거나 조립된 상태로 일체화되어 지하수 관정의 내부우물자재로 투입되며, 작업을 마친 후 각 부분을 분리 또는 해체하여 보관 및 이동할 수 있다. 수질 개선 장치의 대부분의 구성 요소들이 지하수 관정 내부에 투입된 상태에서 공정이 진행되기 때문에 지상에서 각 공정을 정확히 확인하고 제어하는 것이 중요하다. 특히 지상부에서 천공 장치와 실리콘 주입 장치, 그라우팅재 주입 장치의 위치와 회전각을 쉽게 확인하고 제어할 필요가 있다. 이를 위하여 지하수 관정 상단에는 또한 상기 메인 파이프를 지지하면서 메인 파이프의 회전각을 확인할 수 있는 각도 지침이 마련되어 있는 홀드부(170)가 배치되어 있다. 홀드부의 구성 및 동작에 대해서는 후술한다. 이와 더불어 관정 외부에 모니터(180)를 배치하여 수질 개선 작업 중에 각 공정별로 진행 영상을 확인하거나 관정 내부의 상태를 확인할 수 있다.

본 발명의 수질 개선 장치에서 수질 개선 작업이 완료된 후 내부 우물 자재 내부의 지하수의 오염 개선 여부를 확인하기 위해 채수용 수중모터(150)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 채수용 모터는 예를 들어, 상기 천공 장치의 상단 또는 하단에 배치될 수 있으며, 그라우팅재 주입 장치의 하단 또는 각 장치 사이의 적절한 위치에 설치되어도 무방하다. 이 경우 그라우팅재 주입 장치와 채수용 모터 사이에도 관절형 연결부(C3)가 설치될 수 있다. 또한, 수중모터 대신 베일러(bailer)를 사용하여 관정 내부의 지하수 샘플을 채취하는 것도 가능하다.

도 5는 천공 장치를 보인 모식도이다. 천공 장치는 메인 파이프의 하단에 연결되며, 지하수 관정의 내부우물자재 천공용 타공부(122) 및 제1 복동형 실린더(124)를 포함한다. 상기 타공부는 예를 들어 드릴날과 같은 타공 수단을 사용할 수 있고, 지상부에 설치된 유압 모터 또는 전동 모터로부터 메인 파이프를 회전시키게 됨으로써 타공부에 회전력이 전달될 수 있다. 이를 위하여 메인 파이프와는 천공 장치 내부에서 베벨 기어(125)와 연결되어 메인 파이프의 회전 방향과 수직 방향으로 회전력을 인가받아 내부우물자재 내벽에 천공부를 형성할 수 있다.

천공 장치는 메인 파이프의 수직 방향 이동 및 회전 동작에 따라 지하수 관정의 오염원 발생 부위에 해당하는 내부우물자재 내벽에 제1 천공부를 형성하며, 오염원의 완벽한 차폐가 가능하도록 제1 천공부보다 위 쪽에 또 다른 제2 천공부를 형성하게 된다. 제1 복동형 실린더(124)는 좌우 노출단(124a, 124b)의 이동을 통해 천공 작업 시 안정적으로 천공 장치를 지지하는 역할을 하며 이에 관해서는 후술한다. 천공 장치의 타공부가 배치된 면에는 제1카메라(128)가 설치되어, 천공 부위 확인 및 천공 작업 영상의 촬영이 가능하다.

본 발명에 있어서, 수질 개선 장치를 이용한 각 공정 시 실리콘 주입이나 시멘트 주입을 위해서는 내부우물자재의 적절한 수직 위치에서 메인 파이프의 회전을 통해 주입 지점을 확인하는 것(토출 지점을 찾기 위한 회전각 변환)으로 충분한 반면, 천공 장치의 경우 특정 수직 위치에서 천공 장치의 회전을 통해 타공 지점을 찾는 회전각 변환과 더불어 타공부의 직접적인 회전으로 내부우물자재 측벽을 타공하는 동작이 함께 이루어져 한다.

이를 위하여 상기 천공장치 상단에는 위치 고정용 실린더(126)가 추가로 배치되는 것이 바람직하며, 이 경우 실린더 위쪽으로 메인 파이프 외주면에 파이프 고정판(114)이 결합되어 배치되며 천공 장치 바디와 메인 파이프의 연결 부위에는 베어링(127)이 삽입된다. 메인 파이프 외주면에 결합된 고정판과 천공 장치에 설치된 위치 고정 실린더 간의 단속 동작에 의해 메인 파이프의 회전 동작이 천공 장치 바디에 직접 전달되거나 천공 장치 내부의 타공부에만 메인 파이프의 회전력이 전달되도록 할 수 있다. 예를 들어 위치 고정 실린더의 노출단이 고정판에 강하게 접촉하게 되면 메인 파이프과 함께 회전하는 고정판이 실린더를 통해 천공 장치 전체를 회전시킨다. 이와 같이 실린더와 고정판의 접촉 상태에서 메인 파이프의 저속 회전에 연동되는 천공 장치의 회전을 통해 타공 지점을 찾는 회전각 변환이 진행될 수 있다. 반면, 위치 고정 실린더의 노출단이 고정판과 비접촉 상태가 되면 메인 파이프의 회전력은 베어링(127)으로 인해 천공 장치 본체에는 직접 전달되지 않고 천공 장치 내부의 베벨기어와 타공부에만 전달된다. 이와 같은 비접촉 상태에서 메인 파이프의 고속 회전에 연동되는 타공부의 회전을 통해 단시간 내에 내부우물자재 측벽에 타공부를 형성할 수 있다.

즉, 위치 고정용 실린더의 동작에 의해 위치 고정용 실린더와 고정판 간의 접촉 및 비접촉 동작에 따라 메인 파이프의 회전이 천공 장치 자체 회전 또는 천공 장치의 천공부의 회전이 되도록 선택되며, 천공 장치 자체가 회전하는 경우에는 아래에 연결되어 있는 실리콘 주입 장치와 그라우팅재 주입 장치도 함께 회전이 이루어진다.

전술한 제1 복동형 실린더, 위치 고정용 실린더는 각각 유압 호스(124L, 126L)를 통해 지상부의 유압 펌프와 연결되며, 제1카메라는 통신선(128L)을 통해 지하수 관정 외부의 다른 장치에 연결된다. 편의상 유압 호스나 통신선의 라인 길이는 짧게 도시하였으며, 다른 장치에서도 유압 호스와 통신선의 길이를 동일하게 도시하였다.

도 6은 실리콘 주입 장치(130)를 보인 모식도로서, 천공 장치와는 관절형 연결부(C1)에 의해 수직 방향으로 연결되고, 천공 장치를 통해 내부우물자재에 타공된 제1천공 부위에 제1그라우팅재로서 실리콘을 주입하기 위해 장치 내부의 탱크(130a)에 실리콘을 내장한다. 주입 장치 상부에는 내부 실리콘을 토출구를 통해 외부로 배출하기 위한 실리콘 주입용 실린더(136)가 배치되며 실리콘 주입 장치 하방으로 제2 복동형 실린더(134)가 결합되어 배치되어 있고, 실리콘 토출구(132)가 배치된 면에는 제2카메라(138)가 설치되어, 제1 천공부의 확인 및 실리콘 주입 작업 영상의 촬영이 가능하다. 제2 복동형 실린더(134)는 실리콘 주입 시 안정적으로 장치를 지지하면서 토출구가 내부우물자재 내벽의 제1 천공부에 정확히 밀착되도록 한다.

실리콘 주입 장치는 지하수 관정 내부에 투입되기 전에 내부의 실리콘 탱크(130a)에 미리 실리콘이 충진된 상태로 다른 장치들과 결합되며, 지하수 관정의 내부우물자재 내부에 투입된 후에는 천공 장치에서 제1 천공부 타공 작업이 완료된 후 후속적으로 제1 천공부에 실리콘을 주입하게 된다. 실리콘 주입 장치에 충진되는 실리콘은 카트리지 방식으로 교체가 가능한 수단에 저장된 채로 실리콘 주입 장치 내부에 충진될 수도 있다.

도 7은 그라우팅재 주입 장치를 보인 모식도로서, 실리콘 주입 장치와는 관절형 연결부(C2)에 의해 수직 방향으로 연결되고, 천공 장치를 통해 내부우물자재에 타공된 제2천공 부위에 제2그라우팅재를 주입한다. 제2그라우팅재로는 초속경 시멘트를 사용할 수 있고, 이를 위하여 그라우팅재 주입장치는 주입관(142)과 제3 복동형 실린더(144)를 포함한다. 제3 복동형 실린터(144)는 시멘트 주입 시 안정적으로 장치를 지지하면서 주입관이 내부우물자재 내벽의 제2 천공부에 정확히 밀착되도록 한다.

제2그라우팅재인 시멘트는 제1그라우팅재인 실리콘보다 많은 양이 지하수 관정 내부의 오염원 발생 부위에 투입되어 차폐벽을 형성하며, 장치 내부에 미리 많은 양의 시멘트를 저장하는 것보다 주입 공정 시 외부에서 신속히 시멘트를 공급하는 것이 바람직하다. 이를 위하여 그라우팅재 주입 장치의 일측에는 시멘트 공급관(141)의 일단이 연결되어 상기 주입관과 결합된다. 시멘트 공급관은 내부우물자재를 통해 지하수 관정 외부의 시멘트 공급부 내지 시멘트 탱크(미도시)에 연결된다. 주입관(142)가 배치된 면에는 제3카메라(148)가 설치되어, 제2 천공부의 확인 및 시멘트 주입 작업 영상의 촬영이 가능하다.

본 발명의 수질 개선 장치에서 상기 천공 장치와 실리콘 주입장치 사이 및 상기 실리콘 주입장치와 그라우팅재 주입장치 사이는 꺾임 또는 굴절이 가능하도록 연결되는 것이 바람직하다. 각각의 공정 진행 시 내부우물자재에 타공부나 토출구가 밀착되어야 하는데, 복동형 실린더의 동작에 의해 상부 장치가 밀착되면 메인 파이프로부터 연장되는 수직축이 내부우물자재 내부에서 연직 하방이 아닌 경사진 방향으로 변화될 수 있고, 이 경우 하부 장치가 내부우물자재 내벽에 압력을 가하게 되어 상부 장치의 밀착이 방해될 수 있다.

이러한 상황을 해소하기 위해 각 연결 부위를 관절형 부재가 포함되도록 함으로써 상부 장치의 밀착 상황에서도 하부 장치는 항상 연직 방향으로 수직축이 유지되도록 할 수 있고 결과적으로 내부우물자재와 이격된 안정된 상태를 유지할 수 있게 된다. 도 8은 관절형 연결부를 보인 모식도이다. 상부 회동 부재(Ca)와 하부 회동 부재(Cb)가 각각 서로 다른 수평축을 중심으로 회동 가능하게 결합되어 있다. 예를 들어 상부 회동 부재는 제1고정축(Ay)을 중심으로 Y축에 대해 회동 가능하고, 하부 회동 부재는 제2고정축(Ax)을 중심으로 X축에 대해 회동 가능하게 상호 결합될 수 있다. 두 회동 부재에 의해 관절형 연결부는 수평축인 X축과 Y축을 중심으로 꺽임이나 굴절이 가능하여 상부 회동 부재에 연결되는 상부 장치가 내부우물자재에 밀착되더라도 하부 회동 부재에 연결되는 하부 장치는 중력 방향을 유지할 수 있게 된다. 반면, 두 회동 부재는 Z축에 대해서는 상호 동일하게 회전에 연동되며, 그 결과 메인 파이프의 회전을 통해 상부 장치가 회전할 때 하부 장치도 함께 회전하게 된다.

본 발명의 관절형 연결부는 지하수 관정 외부의 지상에서 조립하거나 분해가 가능하고, 각각의 회동 부재에는 상부 장치의 하단이나 하부 장치의 상단과 결합될 수 있는 별도의 체결 플레이트(CP1, CP2)를 더 포함할 수 있다. 이 경우 체결 플레이트의 체결홈(Ch1, Ch2)에 결합 볼트 등을 삽입하여 관절형 연결부를 각각의 장치에 쉽게 고정시킬 수 있다.

관절형 연결부에 의해 상부 장치와 하부 장치가 꺾임이나 굴절 가능하도록 연결되는 것과 달리, 메인 파이프는 단위 파이프가 선형적으로 길게 연결되어 일체화될 필요가 있다. 이 경우 각 단위 파이프는 상호 볼트/너트 내지 나사 체결방식으로 회전에 의하여 연결될 수도 있으나 메인 파이프의 회전 동작 시 체결력이 약해지고 인접한 단위 파이프간의 결합이 해제될 수도 있다. 이러한 문제를 방지하기 위하여 본 발명에서는 메인 파이프의 단위 파이프간 상호 끼움 방식으로 체결하는 것이 바람직하다. 도 9a 및 9b는 메인 파이프 결합부를 보인 모식도로서, 메인 파이프를 구성하는 단위 파이프간 끼움 방식으로 결합할 수 있도록 상부 파이프(110a)의 하단과 하부 파이프(110b)의 상단에 각각 십자형 돌출부(112a)와 십자형 만입부(112b)가 형성되어 있다. 이와 같은 요철형 구조를 상호 끼워 맞춘 상태에서 체결 볼트(113) 등의 결합 수단으로 상부 파이프와 하부 파이프를 견고하게 결합할 수 있다. 끼움 방식의 파이프 연결은 복수의 파이프들을 결합하여 길게 연장된 메인 파이프를 구성할 때 결합 시간을 1/5 수준으로 단축시킬 수 있으며 메인 파이프의 해체도 용이하다. 뿐만 아니라, 메인 파이프의 일방향 회전이나 반대방향의 역회전시 기체결된 단위 파이프간의 결합이 해제되는 현상도 원천적으로 방지하여 안정적인 수질 개선 작업을 진행할 수 있다.

본 발명의 수질 개선 장치에 있어서, 천공 장치와 실리콘 주입 장치 및 그라우팅재 주입 장치는 각각 복동형 실린더와 카메라를 구비하며, 천공 장치는 위치 고정 실린더를 더 포함하고 실리콘 주입 장치는 실리콘 주입 실린더를 더 포함한다. 이로 인하여 각 실린더에 유압을 전달하는 유압 호스들(124L. 126L, 134L. 136L, 144L)과 카메라에 전원을 공급하고 카메라로부터 영상 신호를 수신하는 전선(128L, 138L, 148L) 등이 내부우물자재 내부로 투입되어야 하며, 이러한 복수의 라인들이 메인 파이프의 회전에 따라 각 장치들이 회전할 때 상호 꼬이거나 뒤엉켜 천공 작업 또는 실리콘이나 시멘트 주입 작업을 방해할 수 있다.

이러한 상황을 개선하기 위해 본 발명의 수질 개선 장치는 지하수 관정 외부에서 내부우물자재로 투입되어 각 장치로 연결되는 각종 라인들이 꼬이지 않고 항상 선형적인 상태를 유지할 수 있도록 가이드 수단을 포함한다. 도 10a 및 10b는 본 발명에 따른 선 꼬임 방지부를 보인 모식도로서, 메인 파이프의 적절한 위치에 복수로 이격되어 라인 가이드(115)가 배치되어 있고, 라인 가이드의 관통홀(115a)에 유압 호스나 전선 등 여러 라인들(L)이 통과한다. 관통홀에 인접하여 복수의 라인을 고정할 수 있는 홀드부(115b)가 라인 가이드 표면에 장착되어 라인들에 장력을 가하여 팽팽한 상태를 유지시킨다. 라인 가이드는 내부 중앙에 메인 파이프가 삽입되기 위한 통과홀(115h)이 형성되어 있고, 통과홀에는 베어링(115c)이 삽입된다. 라인 가이드 하방으로는 메인 파이프 외주면에 가이드 고정판(116)이 결합되며 고정판에 의해 라인 가이드의 수직 위치가 고정된다. 메인 파이프가 회전하더라도 라인 가이드는 내부 베어링에 의해 고정된 상태를 유지하며, 그 결과 라인 가이드를 통과하는 복수의 라인들이 선형적인 형태를 유지하면서 상호 꼬이는 현상이 방지된다.

본 발명의 수질 개선 장치에 있어서, 천공 장치와 실리콘 주입 장치 및 그라우팅재 주입 장치는 모두 복동형 실린더를 구비한다. 복동형 실린더는 내부우물자재 내부에서 각 장치와 관련된 공정 진행 시 해당 장치를 내부우물자재 내벽에 고정하거나 지지하는 역할을 하여 각 공정의 안정성을 향상시킨다. 도 11은 복동형 실린더 동작을 보인 모식도로서, 예를 들어 천공 장치 하부에 장착된 제1복동형 실린더는 좌우 노출단(124a, 124b)의 상대적인 이동에 따라 내부우물자재의 일측 벽면 또는 타측 벽면을 지지하거나, 일측 벽면 또는 타측 벽면에 대해 척력을 인가할 수 있다. 그 결과, 좌측 노출단(124a)이 내부우물자재 좌측 벽면(Pa)에 척력을 가함으로써 천공 장치의 타공부가 내부우물자재 내벽에 강력한 타공 능력을 갖도록 드릴날을 내부우물자재 우측 벽면에 강하게 밀착시킬 수 있다. 또한, 이와 반대로 천공된 홀로부터 드릴날을 이탈시키기 위해 우측 노출단(124b)이 내부우물자재 우측 벽면(Pb)에 척력을 가하도록 할 수 있다.

실리콘 주입 장치와 그라우팅재 주입 장치에서도 각각의 복동형 실린더가 유사한 동작에 의해 내부우물자재의 내부 벽면에 척력을 가함으로써 주입 공정을 보다 정확하고 원활하게 진행할 수 있다.

본 발명은 또한, 수질 개선 장치의 메인 파이프에 수직 방향으로 순차적으로 연결되어 있는 천공 장치와 실리콘 주입 장치 및 그라우팅재 주입 장치를 회전시켜 내부우물자재의 원하는 위치(방향)에서 타공 공정을 진행하거나 정확한 타공 지점에 그라우팅재를 주입할 수 있다. 이를 위하여 지하수 관정 상부에 메인 파이프를 지지하면서 메인 파이프를 원하는 각도만큼 회전할 수 있는 홀드부를 포함한다. 도 12a 및 12b는 메인 파이프의 홀드부를 보인 모식도로서, 상기 홀드부는 내부 중앙에 메인 파이프 통과홀(171a)이 있고 표면에 각도 지침(171b)이 표시되어 있는 지지판(171), 메인 파이프 외주면에 결합되어 메인 파이프를 지지하면서 수평 방향으로는 지침계(172a)가 마련되어 있는 파이프 홀더(172), 및 상기 지지판과 파이프 홀더 사이에 배치되는 판베어링(173)을 포함한다.

상기 홀드부의 지지판(171)은 지하수 관정 상단에 고정된 상태로 판베어링과 파이프 홀더에 의해 메인 파이프가 회전 가능하도록 지지한다. 수질 개선 작업 중 천공 장치의 타공 부위 선정이나 그라우팅재 주입을 위한 지점을 확인하기 위해 메인 파이프를 수동으로 회전시킬 수 있고, 이때 각 장치에 설치된 카메라 영상과 더불어 지상부에서 지지판에 표시되어 있는 각도 지침을 참고하여 보다 정확하게 메인 파이프의 회전 동작을 진행할 수 있다.

본 발명의 수질 개선 장치를 지하수 관정의 내부우물자재 내부로 투입하고, 지상부의 모니터를 통해 카메라 영상을 참고하여 타공을 위한 천공 부위를 확인하고 모터부를 구동하여 천공 작업을 실시한 후, 유압 펌프로 실린더를 동작시켜 그라우팅재를 주입하는 각 공정을 장치의 설치 및 해제 없이 순차적으로 수행할 수 있다. 도 13은 본 발명에 따른 지하수 관정의 수질 개선 공정을 보인 모식도이다. 먼저, 지하수 관정의 오염원 위치를 확인한 후 천공 장치로 1차 천공부(Px1)를 타공하며, 그 다음 메인 파이프를 상방으로 이동시켜 실리콘 주입 장치를 통해 제1 천공부에 실리콘을 주입한다. 제1 천공부는 내부우물자재의 동일한 수직 위치에 대해 각도를 달리하여 2 ~ 4개의 위치에 형성할 수 있다. 실리콘 주입부(210)는 오염원에 대한 차폐 영역을 형성하기 위한 기준 위치에 해당하며, 실리콘이 제1 천공부에 투입되어 내부우물자재(P) 외부와 지하수 관정 내벽(G2) 사이의 공간에 환형의 고정 가이드를 형성하게 된다. 이후 천공 장치로 제1 천공부로부터 상방으로 이격된 2차 천공부(Px2)를 타공하고, 실리콘 주입부가 굳은 상태에서 메인 파이프를 상방으로 이동시켜 그라우팅재 주입 장치를 통해 시멘트를 제2 천공부에 투입한다. 시멘트 주입부(220)는 실리콘 주입부에 의해 하방이 막혀 있는 상태에서 내부우물자재 외부와 지하수 관정 내벽 사이의 공간에 보다 큰 환형의 차폐벽을 형성하게 되며, 이로 인하여 오염원으로부터 지하수 관정 내벽을 통해 내부우물자재로 오염수가 유입되는 것을 확실하게 차단할 수 있다.

이와 같은 순차적인 공정을 통해 수질 개선 작업 현장에 투입되는 인원을 최소화하면서도, 각 작업의 전문성을 강화할 수 있다. 특히 통합적이고 시스템화된 수질 개선 장치를 통해 1회 설치만으로 모든 수질 개선 작업을 순차적으로 진행하고 한번에 철거 가능하게 되며, 중장비 없이도 천공 작업을 진행할 수 있고, 하루나 이틀만에 모든 작업을 완료할 수 있다.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.

100:수질 개선 장치 110:메인 파이프
112a,112b:메인 파이프 결합부 114:메인 파이프 고정판
115:라인 가이드 116:가이드 고정판
120:천공 장치 122:타공부
124:제1 복동형 실린더 125:베벨 기어
126:위치 고정용 실린더 127:베어링
128:제1카메라 130:실리콘 주입 장치
132:토출구 134:제2 복동형 실린더
136:실리콘 주입용 실린더 138:제2카메라
140:그라우팅재 주입장치 141:시멘트 공급관
142:주입관 144:제3 복동형 실린더
148:제3카메라 150:채수용 모터
160:162:동력부 170:홀드부
171:지지판 172:파이프 홀더
173:판베어링 180:모니터
210:실리콘 주입부 220:시멘트 주입부
C1,C2,C3:관절형 연결부 P:내부 우물 자재
Px1:제1 천공부 Px2:제2 천공부
G1:관정 외부 G2:관정 내벽

Claims (5)

1. 메인 파이프와,
   지하수 관정의 내부우물자재 천공용 타공부 및 제1 복동형 실린더를 포함하는 천공 장치와,
   내부우물자재에 타공된 제1천공 부위에 제1그라우팅재를 주입하는 장치로서 실리콘을 내장하며 실리콘 주입용 실린더 및 제2 복동형 실린더를 포함하는 실리콘 주입장치와,
   내부우물자재에 타공된 제2천공 부위에 제2그라우팅재를 주입하는 장치로서 초속경 시멘트 주입관과 제3 복동형 실린더를 포함하는 그라우팅재 주입장치와,
   지하수 관정 외부에 설치되며, 상기 메인 파이프를 회전시켜 상기 천공장치의 타공부에 동력을 인가하는 모터부와,
   지하수 관정 외부에 설치되며, 상기 실리콘 주입용 실린더 및 제1 복동형 실린더, 제2 복동형 실린더, 제3 복동형 실린더에 유압을 공급하는 유압펌프와,
   지하수 관정 상단에 배치되어 상기 메인 파이프를 지지하면서 메인 파이프의 회전각을 확인할 수 있는 각도 지침이 마련되어 있는 홀드부를 포함하며,
   상기 천공장치, 실리콘 주입장치, 및 그라우팅재 주입장치는 각각의 장치가 모듈화되며, 지하수 관정으로 투입되는 메인 파이프의 하단에 수직 방향으로 천공장치, 실리콘 주입장치 및 그라우팅재 주입장치의 순서로 연결되어 일체화되어 있고, 각각의 장치에는 카메라가 각각 배치되고,
   상기 천공장치 상단에는 위치 고정용 실린더가 추가로 배치되고, 이 경우 상기 메인 파이프 외주면에 고정 플레이트가 장착되며 위치 고정용 실린더의 동작에 의해 위치 고정용 실린더와 고정 플레이트 간의 접촉 및 비접촉 동작에 따라 메인 파이프의 회전이 천공장치 자체 회전 또는 천공장치의 천공부의 회전이 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는
   지하수 관정의 수질 개선 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 천공 장치의 상단이나 하단, 또는 그라우팅재 주입 장치 하단에 배치되는 채수용 수중모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 관정의 수질 개선 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 천공 장치와 실리콘 주입장치 사이 및 상기 실리콘 주입장치와 그라우팅재 주입장치 사이에는 꺾임 또는 굴절이 가능하도록 관절형 연결부가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 지하수 관정의 수질 개선 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 홀드부는 내부 중앙에 메인 파이프 통과홀이 있고 표면에 각도 지침이 표시되어 있는 지지판, 상기 메인 파이프 외주면에 결합되어 메인 파이프를 지지하면서 수평 방향으로는 지침계가 마련되어 있는 파이프 홀더, 및 상기 지지판과 파이프 홀더 사이에 배치되는 판베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 관정의 수질 개선 장치.
   
5. 삭제

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