KR102396126B1 - 발파 장치 및 이를 포함하는 발파 방법 - Google Patents

발파 장치 및 이를 포함하는 발파 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발파 장치에 관한 것으로서, 화약 반응에 의한 폭발을 통해 동적 에너지를 발현시켜 피발파물을 1차 파괴시키는 화약부; 및 테르밋 반응에 의한 폭연을 통해 정적 에너지를 발현시켜 상기 피발파물을 2차 파괴시키는 비화약부를 포함하고, 상기 화약부의 동적 에너지와 상기 비화약부의 정적 에너지의 결합을 통해 진동증가 없이 파괴력을 상승시켜 상기 피발파물을 다단 파괴시키도록 구현되는 것을 특징으로 한다.

Description

발파 장치 및 이를 포함하는 발파 방법{Apparatus for blasting and method having the same}
본 발명은 발파 장치 및 이를 포함하는 발파 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 테르밋 반응과 화약 반응에 대한 시차를 이용한 발파 장치 및 이를 포함하는 발파 방법에 관한 것이다.
산업화가 진전되어 도시 집중이 가속화됨에 따라, 대규모의 주택 및 도로, 공장 부지 확보를 위한 토목공사가 요구되고 있다. 이와 같은, 토목 공사에 있어서, 지하 암반층을 제거하기 위한 공정이 필수적이다. 즉, 토목 공사에 있어서 암반을 적당한 크기로 파쇄하기 위해서는 통상적으로 암반파쇄기나 화약을 사용하는데, 특히 화약을 사용하는 경우 대상암반에 소정의 깊이로 천공을 형성하고 천공의 내부에 화약을 충전시킨 뒤, 화약에 충격력을 줄 수 있는 연결선과 연결된 뇌관을 설치하고, 뇌관에 의하여 화약을 터뜨려 암반층을 발파시킨다.
그러나, 이와 같은 종래의 화약을 이용한 발파 방법에 있어서 암반의 파쇄와 함께 발파에 의한 소음이 야기될 뿐 아니라, 화약에 의한 폭발력이 대상 암반에 균일하게 전달되지 못하는 문제가 있다. 특히 화약 발파에 의한 암반 파쇄의 경우에는 발파에 따른 진동이 발생하기 때문에 도심의 건물 굴착이나 지하철 굴착과 같은 경우에는 적합하지 않다.
이와 같은 문제점으로 인해 무진동 암반 발파 공법이 다수 제안된 바 있다. 예를 들어, 대한민국 특허공고 제1991-6768호에서는 화약 등의 기폭제와 충격 흡수를 위한 구성을 순차적으로 설치함으로써 무진동 암반 발파 공법이 기술되어 있다. 그러나 이와 같은 무진동 발파 공법은 종래 화약을 사용하는 방법과 비교하여 환경 친화적이기는 하지만, 그 설치 및 시공에 있어서 효율성 및 경제성에 있어 난점을 드러내는 문제점이 있다.
이와 같이 화약을 사용하는 암반 파쇄공법의 문제점을 해결하기 위하여 전기에너지를 이용하는 이른바 플라즈마 파암 방법이 제안되었는데, 플라즈마 파암이란 펄스 파워에 의하여 발생된 플라즈마를 이용하여 화약을 사용한 파암을 대신하는 기술이다.
플라즈마 파암은 종래 화약을 사용하는 방법에 비하여 에너지 효율이 높고, 암석의 비산과 소음이 상대적으로 적을 뿐 아니라 유해 기체의 발생이 없는 장점을 가지고 있다. 플라즈마 파암에 사용되는 전극봉은 전해물질인 반응물, 반응물을 저장하는 카트리지, 전극 등으로 구성되어 있다. 일례로 동축 형태의 플라즈마 파암용 전극봉에서 전극봉은 내부 전극과 절연체, 외부전극과 전해물질로 구성되어 있고, 평행 전선 형태의 전극봉에서는 동축형태의 플라즈마 파암용 전극봉과 달리 카트리지 내부에 전선 형태의 두 전극 사이에 전해물질이 위치하도록 구성된다.
파암을 위해서 전극봉을 암반 내의 천공에 삽입하고 전극봉 외부의 전원인가장치로부터 대전류를 전극봉에 공급하면 전극 사이에 방전이 일어나면서 아크가 발생하여 고열의 에너지가 전해물질에 전해지고, 금속분말과 금속산화물로 이루어진 전해물질이 테르밋 반응(thermite reaction)을 일으키며 고온 및 고압의 에너지를 발생하게 된다. 이와 같은 고온 및 고압의 에너지가 암석에 순간적으로 전달되어 암석이 파쇄된다. 즉, 플라즈마 파암 공정에서는 대전류를 전극봉에 공급하면, 금속 분말의 혼합물의 테르밋 반응이 일반 화학 반응 시간에 비하여 상당히 짧은 시간인 수십 마이크로 초(us)동안 약 섭씨 3,000도 이상의 고온에서 금속 증기압이 발생하고 이런 압력을 이용하여 암반을 파쇄한다.
그러나, 이와 같은 플라즈마 파암에 사용되는 전극봉 방전이 시작되면 저항이 급격히 낮아져서 이곳으로 대부분의 전류가 흐르게 되어 전해물질의 화학반응은 국부적으로 일어나 파암력은 감소되고 특히 짧은 펄스 압력을 구현하는데 어려움이 있다.
이러한 플라즈마 파암 공법 상의 문제점을 해소하기 위해 플라즈마 파암 공법에서 화약 성분인 질산염을 추가한 유사 플라즈마 공법이 있으나, 이는 질산염 성분으로 인해 화약으로 분류되어 현재에는 사용되지 못하고 있다.
따라서, 당 업계에서는 상기와 같은 화약을 사용하는 파암공법의 문제점 그리고 상기와 같은 플라즈마 파암 공법의 문제점을 해소하고 더욱 효과적인 파암 공법을 개발하기 위해 지속적이고 활발한 연구 및 개발이 이루어지고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 테르밋 반응과 화약 반응에 대한 시차를 이용하여, 경제성, 시공성, 안전성 및 효율성이 증대되도록 하는 발파 장치 및 이를 포함하는 발파 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 발파 장치는, 화약 반응에 의한 폭발을 통해 동적 에너지를 발현시켜 피발파물을 1차 파괴시키는 화약부; 및 테르밋 반응에 의한 폭연을 통해 정적 에너지를 발현시켜 상기 피발파물을 2차 파괴시키는 비화약부를 포함하고, 상기 화약부의 동적 에너지와 상기 비화약부의 정적 에너지의 결합을 통해 진동증가 없이 파괴력을 상승시켜 상기 피발파물을 다단 파괴시키도록 구현되고, 상기 화약부는, 진동수치를 유지하면서 파괴력을 증대시키려는 경우, 상기 화약 반응을 일으키는 화약의 양 중 제거되는 화약의 양과 상기 비화약부의 상기 테르밋 반응을 일으키는 테르밋으로 제거되는 화약 대신 치환되는 양과의 비율이 1 : 3 내지 1 : 5 가 되도록 구성되고, 상기 화약부와 비화약부는, 단일한 갯수로 배치되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 화약부는, 상기 비화약부의 폭속보다 큰 고폭속 성질을 가지며, 상기 발파 장치는, 상기 화약부와 상기 비화약부의 폭속 차이를 통해, 상기 피발파물을 다단 파괴시키도록 구현될 수 있다.
구체적으로, 상기 비화약부는, 상기 화약부와의 폭속 차이로 인해 디커플링 효과를 발생시켜 진동을 감소시키도록 구현되며, 상기 화약부와의 폭속 차이로 인한 디커플링 효과는, 상기 화약부가 상기 피발파물의 발파 과정 중 최고치 진동이 나타나도록 하며, 상기 비화약부가 상기 화약부의 상기 최고치 진동보다 작은 진동을 가지도록 구현시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 화약부는, 폭속이 2,500m/sec 내지 5,000m/sec인 고폭속 성질을 가지며, 상기 비화약부는, 폭속이 300m/sec 내지 400m/sec인 저폭속 성질을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 화약부는, 상기 비화약부의 진동보다 작은 저주파 진동 성질을 가지며, 상기 발파 장치는, 상기 화약부와 상기 비화약부의 진동 차이를 통해, 감쇄비 조절을 용이하게 하는 효과를 구현할 수 있다.
구체적으로, 상기 화약부는, 화약 반응에 의한 폭발의 동적 에너지 중 제1 동적 에너지를 통해 1차적으로 상기 피발파물을 파괴시키고, 화약 반응에 의한 폭발의 동적 에너지 중 제2 동적 에너지를 통해 상기 비화약부를 유폭 점화시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 비화약부는, 상기 화약부로부터 상기 제2 동적 에너지를 통해 유폭 점화되어 상기 테르밋 반응을 발생시키고, 테르밋 반응에 의한 폭연의 정적 에너지를 통해 2차적으로 상기 피발파물을 파괴시켜, 상기 화약부만 이용 시의 피발파물의 발파 과정의 반응 시간보다 긴 반응 시간을 발생시키도록 하고, 상기 화약부만 이용 시의 피발파물의 발파 과정의 에너지 총량보다 큰 에너지 총량을 발생시키도록 할 수 있다.
구체적으로, 상기 화약부는, 진동수치를 유지하면서 파괴력을 증대시키려는 경우, 상기 화약 반응을 일으키는 화약의 양 중 제거되는 화약의 양과 상기 비화약부의 상기 테르밋 반응을 일으키는 테르밋으로 제거되는 화약 대신 치환되는 양과의 비율이 1 : 3 내지 1 : 5 가 되도록 구성할 수 있다.
구체적으로, 상기 화약부는, 상기 비화약부와 혼합되어 형성되되, 상기 비화약부가 상기 화약부의 상측에 배치될 수 있다.
구체적으로, 상기 화약부는, 상기 비화약부와 혼합되지 않도록 별도의 챔버를 형성하되, 상기 비화약부가 상기 화약부의 상측에 배치되도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 화약부의 폭발 및 상기 비화약부의 폭연에 의한 충격파 및 압력파가 상기 피발파물의 발파 위치에 집중되도록 하며, 진흙 및 모래로 구성되는 전색부를 더 포함하며, 상기 발파 장치는, 상기 피발파물의 내부에서 외부를 향하는 방향으로 상기 화약부, 상기 비화약부, 상기 전색부 순서로 상기 피발파물에 삽입될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 발파 방법은, 피발파물에 적어도 하나의 천공을 형성하는 단계; 상기 피발파물에 상기 발파 장치를 배치하는 단계; 및 상기 발파 장치를 작동시켜 상기 피발파물을 파괴시키는 단계를 포함하고, 상기 피발파물을 파괴시키는 단계는, 화약부의 화약 반응에 의한 폭발을 통해 동적 에너지를 발현시키는 단계; 상기 화약 반응에 의한 폭발의 동적 에너지 중 제1 동적 에너지를 통해 1차적으로 상기 피발파물을 파괴시키는 단계; 상기 화약 반응에 의한 폭발의 동적 에너지 중 제2 동적 에너지를 통해 상기 비화약부를 유폭 점화시키는 단계; 상기 화약부로부터 상기 제2 동적 에너지를 통해 비화약부가 유폭 점화되어 테르밋 반응을 발생시키는 단계; 상기 테르밋 반응에 의한 폭연을 통해 정적 에너지를 발현시키는 단계; 및 테르밋 반응에 의한 폭연의 정적 에너지를 통해 2차적으로 상기 피발파물을 파괴시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 발파 장치 및 이를 포함하는 발파 방법은, 화약으로 1차 발파를 구현하고 테르밋으로 2차 발파를 구현하여, 진동 증가 없이 파괴력을 상승시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 발파 장치 및 이를 포함하는 발파 방법은, 화약과 테르밋의 폭속 차이를 통해 디커플링 효과를 발현시켜 진동을 효과적으로 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 발파 장치 및 이를 포함하는 발파 방법은, 화약과 테르밋의 진동 차이를 통해 감쇄비 조절이 용이해질 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 발파 장치 및 이를 포함하는 발파 방법은, 화약의 동적 에너지와 테르밋의 정적 에너지의 결합을 통해 구현됨으로써, 화약류 단속법 등과 같은 화약류 규제에 의한 제한없이 즉, 화약의 양을 늘리지 않고도 화약만 이용 시의 발파 반응 시간보다 긴 반응시간을 가질 수 있고, 이로 인해 화약만 이용 시의 에너지 총량보다 더 큰 에너지 총량을 가질 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 발파 장치 및 이를 포함하는 발파 방법은, 화약으로 1차 발파를 구현하고 테르밋으로 2차 발파를 구현하여, 고가의 테르밋을 첨가제 형식으로 사용하게 됨으로써 경제성 및 시공성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 지면에 형성된 천공부를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명 실시 예에 따른 발파 장치가 천공부에 설치된 예시를 단면으로 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명 실시 예에 따른 발파 장치의 개념도이다.
도 4는 본 발명 실시 예에 따른 발파 장치가 구현되는 예시를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명 실시 예에 따른 발파 장치를 이용한 발파 방법의 순서도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 상세한 설명은 하기 도시되는 도면과 함께 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 지면에 형성된 천공부를 개략적으로 나타낸 개념도, 도 2는 본 발명 실시 예에 따른 발파 장치가 천공부에 설치된 예시를 단면으로 나타낸 개념도, 도 3은 본 발명 실시 예에 따른 발파 장치의 개념도이고, 도 4는 본 발명 실시 예에 따른 발파 장치가 구현되는 예시를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 발파 장치(100)는, 하우징(110), 화약부(120), 비화약부(130) 및 전색부(140)를 포함한다.
발파 장치(100)는, 화약부(120)와 비화약부(130)를 함께 구축함으로써, 화약부(120)의 동적 에너지와 비화약부(130)의 정적 에너지를 결합시켜 진동 증가없이 파괴력을 상승시켜 피발파물(G)을 다단 파괴시킬 수 있다.
발파 장치(100)는, 화약부(120)와 비화약부(130)의 폭속 차이를 통해, 피발파물(G)을 다단 파괴시킬 수 있다.
발파 장치(100)는, 화약부(120)와 비화약부(130)의 진동 차이를 통해 감쇄비 조절을 용이하게 구현할 수 있다.
또한, 발파 장치(100)는, 화약부(120), 비화약부(130) 및 전색부(140)로 구축되어, 피발파물(G)의 천공(H)에 삽입 시, 피발파물(G)의 내부에서 외부를 향하는 방향으로, 화약부(120), 비화약부(130) 및 전색부(140) 순서로 삽입될 수 있다.
이하, 상기와 같은 특징 및 효과를 가지는 본 발명에 따른 발파 장치(100)에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.
하우징(110)은, 지면(G; 피발파물)에 형성된 천공(H)에 삽입될 수 있는 크기로 형성되며, 일례로, 긴 원통형의 형태를 가질 수 있다.
또한, 하우징(110)은, 후술할 화약부(120), 비화약부(130) 및 전색부(140)가 포함될 수 있는 챔버를 형성할 수 있다. 이때, 화약부(120)가 최하측, 그다음 비화약부(130)가 배치되고, 그다음 최상측에 전색부(140)가 배치될 수 있다.
하우징(110)은, 천공(H)에 삽입 후 고정이 용이할 수 있도록 내부 고정부(111)와 외부 고정부(112)를 포함할 수 있다.
내부 고정부(111)는, 하우징(110)의 최하측에 형성되어 피발파물(G)에 삽입고정될 수 있는 돌출형의 형태를 가질 수 있다. 이때, 내부 고정부(111)는 일례로 뾰족한 침의 형태 또는 막대의 형태를 가질 수 있다.
외부 고정부(112)는, 하우징(110)의 최상측에 형성되어 피발파물(G)의 표면에 고정될 수 있는 플랜지(flange)형의 형태를 가질 수 있다.
화약부(120)는, 외부로부터 유선 또는 무선으로 기폭 신호를 수신받아 폭발할 수 있으며, 화약으로 이루어질 수 있다.
화약부(120)는, 화약 반응에 의한 폭발을 통해 동적 에너지를 발현시켜 피발파물(G)을 1차 파괴시킨다. 이때, 화약부(120)는, 비화약부(130)의 정적 에너지와 결합하여 진동 증가없이 발파 장치(100)의 파괴력을 상승시킨다.
화약부(120)는, 화약 반응에 의한 폭발의 동적 에너지가 제1 및 제2 동적 에너지를 가질 수 있다. 여기서 제1 동적 에너지는 화약부(120)가 피발파물(G)을 파괴시키는 에너지원이며, 제2 동적 에너지는 비화약부(130)가 유폭 점화되도록 하는 에너지원이다.
화약부(120)는, 비화약부(130)와 혼합되도록 하우징(110) 내에서 비화약부(130)와 하나의 챔버를 이룰 수 있으며, 이때, 화약부(120)는 비화약부(130)의 하측에 배치되도록 혼합될 수 있다. 또한, 다른 실시 예에서, 화약부(120)는 비화약부(130)와 혼합되지 않도록 하우징(110) 내에서 비화약부(130)와 별도로 챔버를 형성할 수 있으며, 이때, 화약부(120)의 챔버는 비화약부(130)의 챔버보다 하측에 배치될 수 있다.
화약부(120)는, 화약 반응을 일으키는 화약의 양이 비화약부(130)의 테르밋 반응을 일으키는 테르밋의 양과 비율이 1:0.5가 초과되도록 구성될 수 있다. 이는 대량 첨가 실시 예에 해당 하는 것이다.
다른 실시 예에서는 소량 첨가 실시 예로서, 화약 반응을 일으키는 화약의 양이 비화약부(130)의 테르밋 반응을 일으키는 테르밋의 양과 비율이 1:0.5 이하가 되도록 구성될 수 있다. 소량 첨가 실시 예는, 경암에 사용될 수 있다.
화약과 테르밋의 동일 진동 환산 비는 1:3 내지 1:5가 된다.
이에 대한 비교표는 하기와 같으며, 화약:테르밋이 1:3~5인 경우의 비교표이며, 각 타입별 대푯값으로 기재한 것이다. 물론 거리별 허용 장약량을 고려하면 다양한 계산이 가능할 수 있다.
화약
규격		 사용
화약
규격		 화약
기준량		 사용량
비율		 화약량 테르밋
변환가능량		 테르밋
위력
비율		 테르밋
량(g)
ea g 3배~ 5배
미진동
발파		 125g
미만		 32mm
1개당
250g		 125g 0.25 62.50 62.50 50% 188~ 313
0.33 83.33 41.67 25% 125~ 208
정밀진동
제어발파		 500g
미만		 500g 0.50 125.00 375.00 75% 1125~ 1875
0.75 187.50 312.50 63% 938~ 1563
1.00 250.00 250.00 50% 750~ 1250
1.25 312.50 187.50 38% 563~ 938
1.50 375.00 125.00 25% 375~ 625
소규모
발파		 1.5kg
미만		 32mm
1개당
250g

50mm
1개당
1000g		 1500g 250 1250 83% 3750~ 6250
500 1000 67% 3000~ 5000
750 750 50% 2250~ 3750
1000 500 33% 1500~ 2500
1250 250 17% 750~ 1250
중규모
발파		 5kg
미만		 50mm
1개당
1000g		 5kg 1000 4000 80% 12000~ 20000
2000 3000 60% 9000~ 15000
3000 2000 40% 6000~ 10000
4000 1000 20% 3000~ 5000
화약을 이용한 감쇄력보다 테르밋을 이용한 파쇄시 감쇄력이 우수하여 파쇄지점에 위력은 동일하지만 떨어져 있는 측정지점에 진동은 현저히 감소될 수 있다. 이를 달리 해석하면, 더 강한 위력으로 파쇄되어도 동일한 진동이 발생한다고 해석할 수 있다.
이러한 화약과 테르밋의 장약 비율은, 하기의 적용 공식으로 도출된다.
공식: Lt = L * r * (a+1) * K
(Lt: 테르밋 장약량, L: 화약지발당 허용 장약량, a: 테르밋 적용률에 따른 진동 감쇄율(각 비율별 시험발파로 정해짐), K: 화약 대비 테르밋 위력계수 (일반적으로 3~5배의 위력 대비 부피 차이를 차지하고 있으며, 테르밋은 화약에 비해 동일g 당 20% ~33% 수준의 위력을 가진다. 계수는 화약시공대비 파쇄정도로 3~5 사이로 임의로 정하여 사용한다. 위력이 부족할 경우 5쪽으로 위력이 과할경우 3쪽으로 조정하여 적정한 약량을 산정한다.)
이러한 화약과 테르밋의 비교표를 고려하여, 동일한 진동치에 들어가는 화약과 테르밋의 비율이 1:3 내지 1:5가 되도록 구성할 수 있다. 이는 단지 장약에 사용되는 총 화약과 총 테르밋의 비율이 1:3 내지 1:5를 의미하는 것이 아니라, 동일 진동수를 유지하면서 추가적인 발파력 증대를 원하는 경우에 치환되는 화약과 테르밋의 비율이 1:3 내지 1:5를 의미하는 것이다.
예를 들어, 발파 작업 환경에서 진동치가 10에 사용되는 화약의 양이 100g이 사용되는 경우, 진동치는 유지하면서 추가적인 작업량(즉, 발파력 증대)을 늘리기를 원할 수 있다. 이 경우, 진동치 10에 사용되는 화약의 양 100g 중 10g을 테르밋으로 치환하여야 한다고 가정하면, 이 10g의 화약을 테르밋으로 치환 시 테르밋의 양이 30g 내지 50g이 될 수 있다. 따라서, 진동치 10에 화약만 사용하는 경우 화약의 양은 100g이고, 그 대비, 진동치 10에 화약과 테르밋을 함께 사용하는 경우, 화약의 양은 90g이고 테르밋은 30g 또는 50g이 될 수 있다.
화약부(120)는, 비화약부(130)의 폭속보다 큰 고폭속 성질을 가질 수 있다. 이때, 화약부(120)는, 비화약부(130)와의 폭속 차이를 통해 피발파물(G)을 다단 파괴시킬 수 있다.
화약부(120)는 폭속이 2,500m/sec 내지 5,000m/sec인 고폭속 성질을 가지며, 폭속이 300m/sec 내지 400m/sec인 비화약부(130)와의 폭속 차이(대략 10 배 이상 차이)로 인해 디커플링 효과를 발생시켜 진동을 감소시키도록 구현될 수 있다. 여기서, 디커플링 효과는, 화약부(120)가 피발파물(G)의 발파 과정 중 최고치 진동이 나타나도록 하며, 비화약부(130)가 화약부(120)의 최고치 진동보다 작은 진동을 가지도록 구현시킬 수 있다.
화약부(120)는, 비화약부(130)의 진동보다 작은 저주파 진동 성질을 가질 수 있으며, 이러한 비화약부(130)와의 진동 차이를 통해 발파 장치(100)가 감쇄비 조절을 용이하게 구현할 수 있다.
비화약부(130)는, 화약부(120)로부터 제2 동적 에너지를 전달받아 유폭될 수 있으며, 테르밋으로 이루어질 수 있다. 테르밋(thermite)은, 금속 분말(연료)과 금속 산화물(산화제)을 혼합한 화공품으로, 열을 받으면 발열 및 산화-환원 반응을 일으킬 수 있다. 이때, 연료제로는 알루미늄, 마그네슘, 타이타늄, 아연, 규소 및 붕소 등이 사용될 수 있고, 산화제로는 산화비스무트, 삼산화붕소, 이산화규소, 산화크롬, 이산화망간, 산화철, 산화구리 및 산화납 등이 사용될 수 있다. 테르밋은 폭발성 물질은 아니지만, 좁은 면적에서 순간적으로 극도의 고열을 발생시킬 수 있는 폭연을 발생시킬 수 있다.
비화약부(130)는, 테르밋 반응에 의한 폭연을 통해 정적 에너지를 발현시켜 피발파물(G)을 2차 파괴시킨다. 이때, 비화약부(130)는, 화약부(120)의 동적 에너지와 결합하여 진동 증가없이 발파 장치(100)의 파괴력을 상승시킨다.
비화약부(130)는, 화약부(120)로부터 제2 동적에너지를 통해 유폭 점화되어 테르밋 반응을 발생시킬 수 있고, 테르밋 반응에 의한 폭연의 정적 에너지를 통해 2차적으로 피발파물(G)를 파괴시킬 수 있다.
비화약부(130)는, 화약부(120)와 혼합되도록 하우징(110) 내에서 화약부(120)와 하나의 챔버를 이룰 수 있으며, 이때, 비화약부(130)는 화약부(120)의 상측에 배치되도록 혼합될 수 있다. 또한, 다른 실시 예에서, 비화약부(130)는 화약부(120)와 혼합되지 않도록 하우징(110) 내에서 화약부(120)와 별도로 챔버를 형성할 수 있으며, 이때, 비화약부(130)의 챔버는 화약부(120)의 챔버보다 상측에 배치될 수 있다.
비화약부(130)는, 화약부(120)의 폭속보다 작은 저폭속 성질을 가질 수 있다. 이때, 비화약부(130)는, 화약부(120)와의 폭속 차이를 통해 피발파물(G)을 다단 파괴시킬 수 있다.
비화약부(130)는, 폭속이 300m/sec 내지 400m/sec인 저폭속 성질을 가지며, 화약부(120)와의 폭속 차이로 인해 디커플링 효과를 발생시켜 진동을 감소시키도록 구현될 수 있다. 여기서, 비화약부(130)의 화약부(120)와의 폭속 차이로 인한 디커플링 효과는, 단 시간에 형성되며, 화약부(120)가 피발파물(G)의 발파 과정 중 최고치 진동이 나타나도록 하며, 비화약부(130)가 화약부(120)의 최고치 진동보다 작은 진동을 가지도록 구현시킬 수 있다.
비화약부(130)는, 화약부(120)의 진동보다 큰 고주파 진동 성질을 가질 수 있으며, 이러한 화약부(120)와의 진동 차이를 통해 발파 장치(100)가 감쇄비 조절을 용이하게 구현할 수 있다.
전색부(140)는, 화약부(120)의 폭발 및 비화약부(130)의 폭연에 의한 충격파 및 압력파가 피발파물(G)의 발파 위치에 집중되도록 할 수 있으며, 진흙 및 모래로 구성될 수 있다.
이때, 전색부(140)는, 화약부(120) 및 비화약부(130)보다 상측에 배치될 수 있다.
상기 기술한 본 발명의 발파 장치(100)의 발파 과정을 도 4와 함께 상세히 하기 기술하도록 한다.
도 4 (a)에 도시된 바를 함께 살펴보면, 화약부(120)는, 1차적 폭발(B1)을 발생시켜 제1 및 제2 동적 에너지를 발현시키고, 발현된 제1 동적 에너지는 주로 화약부(120)의 하측 및 양측면으로 충격파 및 압력파등을 생성하여 피발파물(G)을 파괴시킬 수 있다. 이때, 발생된 충격파 및 압력파의 진동은 최대치를 발생시킬 수 있다. 그리고 발현된 제2 동적 에너지는 주로 화약부(120)의 상측으로 충격파 및 압력파등을 생성하여 비화약부(130)가 유폭되어 점화될 수 있도록 할 수 있다. 이때, 피화약부(130)는 아직 아무런 반응이 일어나지 않는다.
다음으로 도 4 (b)에 도시된 바를 함께 살펴보면, 화약부(120)는, 1차적 폭발(B1)로 인한 제1 동적 에너지가 계속해서 하측 및 양측면으로 충격파 및 압력파등을 생성하여 피발파물(G)을 파괴시킬 수 있다. 이때, 발생된 충격파 및 압력파의 진동은 도 4 (a)에서 진행된 진동의 수치보다는 작다. 그리고, 피화약부(130)는, 화약부(120)로부터 전달받은 제2 동적 에너지의 충격파 및 압력파로 인해 유폭되며, 그로 인해 점화되어 2차적 폭연(B2)이 발생된다. 2차적 폭연(B2)으로 인해 발생되는 정적 에너지는 주로 비화약부(130)의 양측면으로 충격파 및 압력파 등을 생성하여 피발파물(G)을 파괴시킬 수 있다. 여기서, 전색부(140)는, 비화약부(130)에서 발생되는 충격파 및 압력파 등을 반사시켜 비화약부(130)의 폭연에 의한 충격파 및 압력파가 피발파물(G)의 발파 위치에 집중되도록 할 수 있다.
다음으로 도 4 (c)에 도시된 바를 함께 살펴보면, 화약부(120)는, 1차적 폭발(B1)로 인한 동적 에너지가 모두 소실되지만, 비화약부(130)는, 계속해서 2차적 폭연(B2)으로 인해 발생되는 정적 에너지를 발생시킨다.
이로 인해 본 발명의 실시 예에 따른 발파 장치(100)는, 이러한 화약부(120)와 비화약부(130)의 동적 및 정적 에너지의 결합을 통한 다단 파괴 방식을 통해서, 화약부(120)만 이용 시의 피발파물(G)의 발파 과정의 반응 시간보다 긴 반응 시간을 발생시키도록 하고, 화약부(120)만 이용 시의 피발파물(G)의 발파 과정의 에너지 총량보다 큰 에너지 총량을 발생시키도록 할 수 있다.
화약 발파를 구현하는 경우, 사용할 수 있는 화약의 양은 법적 규제가 되어 있다. 규제로 인한 한정된 화약양 만으로의 화약 발파는 피발파물 즉 암석을 정상적으로 파쇄하는 것이 현실적으로 불가능한 문제점이 있다.
구체적으로 보면, 발파의 규제는 진동 최고치를 기준으로 규정되어 있고, 화약량은 진동과 비례하므로, 규제된 화약량은 진동 최고치에 비례하여 산출된 규제 량을 가진다. 이러한 규제량을 넘어서 사용하게 되면, 사용 중지, 허가 취소 등 화약류 단속법에 의한 제제를 받게된다. 따라서, 현재에는 발파 작업 시 화약류 단속법을 준수하여야 하기 때문에, 발파 성능을 증대시키기 위해 화약량을 무제한으로 늘릴 수 없는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 상기 기술한 바와 같이, 화약 외에 비화약인 테르밋을 추가하여, 다단 파괴를 구현하고 있다.
이로 인해 본 발명은, 테르밋이 화약이 아니여서 화약류 단속법의 규제를 받지 않는 장점이 있고, 또한, 테르밋 반응으로 발생되는 폭연은 화약에 의한 폭발로 인해 발생되는 진동보다 낮은 진동을 장시간 유지시킬 수 있어 전체 암반에 파쇄력을 증가시키는 효과가 있다.
즉, 본 발명은 화약부(120)에 화약을 화약류 단속법의 규제에 따라 규정 사용량을 사용하여 1차 발파로 최대치 진동이 발생하게 하고, 이후 부스터인 비화약부(130)의 테르밋을 이용하여 2차 발파로 최대치 진동보다 낮은 진동을 장시간 유지시켜 암파쇄 시간 및 에너지를 증가시킬 수 있게 된다.
이와 같이, 본원발명은 종래 발파 작업 시 화약량을 조절하는 방식을 지양하고, 그 대신 화약과 테르밋의 비율로 최대치 진동을 제어하면서 충분한 파쇄력을 가지도록 할 수 있다. 게다가 고가의 테르밋을 첨가제 형식으로 사용하게 됨으로써 경제성 및 시공성이 향상되는 효과가 있다.
도 5는 본 발명 실시 예에 따른 발파 장치를 이용한 발파 방법의 순서도이다.
본 발명 실시 예에 따른 발파 장치를 이용한 발파 방법은, 상기에서 살펴본 일 실시 예에 따른 발파 장치(100)에 의해 구현될 수 있으며, 이하 발파 장치(100)를 이용한 발파 방법의 각 단계에 대해 설명하도록 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명 실시 예에 따른 발파 장치를 이용한 발파 방법은, 피발파물에 적어도 하나의 천공을 형성하는 단계(S10), 피발파물에 발파 장치를 배치하는 단계(S20) 및 발파 장치를 작동시켜 피발파물을 파괴시키는 단계(S30)를 포함한다.
단계 S10에서는, 피발파물에 적어도 하나의 천공을 형성한다.
하수도관이나 가스관 또는 통신관을 지중에 매설하는 대형관로공사 등의 토목 공사 및 지반을 정리하는 작업이나 굴착하는 작업 등의 토목 공사 등의 건설 현장에서 피발파물의 파쇄 현장에서, 천공 장치(도시하지 않음) 등을 통해 피발파물(G)에 천공(H)을 복수 개 형성할 수 있다. 이때, 건설 현장은 도심지에 형성될 수 있다.
단계 S20에서는, 피발파물에 발파 장치를 배치한다.
단계 S10에 의한 피발파물(G)에 천공(H)을 복수 개 형성하는 단계가 완료되면, 피발파물(G)에 발파 장치(100)를 배치할 수 있다. 이때, 발파 장치(100)는, 상기 기술된 바와 같이, 화약부(120), 비화약부(130) 및 전색부(140)로 구축되어, 피발파물(G)의 천공(H)에 삽입 시, 피발파물(G)의 내부에서 외부를 향하는 방향으로, 화약부(120), 비화약부(130) 및 전색부(140) 순서로 삽입될 수 있다.
천공(H)에 삽입되는 발파 장치(100)는, 내부 고정부(111)에 의해서 천공(H)의 내부에 1차 고정되며, 외부 고정부(112)에 의해서 천공(H)의 외부에 2차 고정될 수 있다.
단계 S30에서는, 발파 장치를 작동시켜 피발파물을 파괴한다.
단계 S20에 의해서 피발파물(G)에 발파 장치(100)를 배치한 후, 발파 장치(100)를 작동시켜 피발파물(G)을 파괴시킬 수 있다.
단계 S30는 발파 장치(100)를 통해 피발파물(G)을 파괴시키는 단계로 다음의 세부적인 단계를 더 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명 실시 예에 따른, 발파 장치를 작동시켜 피발파물을 파괴시키는 단계(S30)는, 화약부의 화약 반응에 의한 폭발을 통해 동적 에너지를 발현시키는 단계(S31), 화약 반응에 의한 폭발의 동적 에너지 중 제1 동적 에너지를 통해 1차적으로 피발파물을 파괴시키는 단계(S32), 화약 반응에 의한 폭발의 동적 에너지 중 제2 동적 에너지를 통해 비화약부를 유폭 점화시키는 단계(S33), 화약부로부터 제2 동적 에너지를 통해 비화약부가 유폭 점화되어 테르밋 반응을 발생시키는 단계(S34), 테르밋 반응에 의한 폭연을 통해 정적 에너지를 발현시키는 단계(S35) 및 테르밋 반응에 의한 폭연의 정적 에너지를 통해 2차적으로 피발파물을 파괴시키는 단계(S36)를 포함할 수 있다.
단계 S31에서는 화약부의 화약 반응에 의한 폭발을 통해 동적 에너지가 발현된다.
화약부(120)는, 외부로부터 유선 또는 무선으로 기폭 신호를 수신받아 폭발할 수 있으며, 화약 반응에 의한 폭발로 동적 에너지가 발현된다.
이때, 발현된 동적 에너지는 사방으로 방사되며, 그 중 방향에 따라 제1 및 제2 동적 에너지로 구분될 수 있다.
단계 S32에서는 화약 반응에 의한 폭발의 동적 에너지 중 제1 동적 에너지를 통해 1차적으로 피발파물이 파괴된다.
단계 S31에서 동적 에너지가 발현된 후, 제1 동적 에너지는 주로 화약부(120)의 하측 및 양측면으로 충격파 및 압력파 등이 진행되는데, 이 제1 동적 에너지는 피발파물(G)로 진행되어 결국, 피발파물(G)을 1차적으로 파괴시키게 된다. 본 단계 S32는 후술할 단계 S33과 동시 또는 이시에 일어날 수 있다.
단계 S33에서는 화약 반응에 의한 폭발의 동적 에너지 중 제2 동적 에너지를 통해 비화약부가 유폭 점화된다.
단계 S31에서 동적 에너지가 발현된 후, 제2 동적 에너지는 주로 화약부(120)의 상측으로 충격파 및 압력파 등이 진행되는데, 이 제2 동적 에너지는 비화약부(130)로 진행되어, 비화약부(130)가 유폭 점화되도록 할 수 있다.
단계 S34에서는 화약부로부터 제2 동적 에너지를 통해 비화약부가 유폭 점화되어 테르밋 반응이 발생된다.
단계 S33으로 인해 제2 동적 에너지의 충격파 및 압력파가 비화약부(130)로 전달되면, 비화약부(130)의 테르밋이 반응하게 되고, 그로 인해 비화약부(130)가 유폭 점화될 수 있다.
단계 S35에서는 테르밋 반응에 의한 폭연을 통해 정적 에너지가 발현된다.
단계 S34로 인해 비화약부(130)의 테르밋이 반응한 후, 테르밋 반응에 의해 폭연이 발생되고 그로 인해 정적 에너지가 발현된다.
단계 S36에서는 테르밋 반응에 의한 폭연의 정적 에너지를 통해 2차적으로 피발파물이 파괴된다.
단계 S35로 인해 정적 에너지가 발현되면, 발생된 정적 에너지는 주로 비화약부(130)의 양측면으로 충격파 및 압력파 등이 진행되는데, 이 정적 에너지는 피발파물(G)로 진행되어 결국, 피발파물(G)을 2차 파괴시키게 된다.
따라서, 상기 기술한 단계 S31 내지 단계 S36에 따라 피발파물(G)이 다단 파괴될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발파 장치 및 이를 포함하는 발파 방법은, 화약으로 1차 발파를 구현하고 테르밋으로 2차 발파를 구현하여, 진동 증가 없이 파괴력을 상승시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 발파 장치 및 이를 포함하는 발파 방법은, 화약과 테르밋의 폭속 차이를 통해 디커플링 효과를 발현시켜 진동을 효과적으로 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 발파 장치 및 이를 포함하는 발파 방법은, 화약과 테르밋의 진동 차이를 통해 감쇄비 조절이 용이해질 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 발파 장치 및 이를 포함하는 발파 방법은, 화약의 동적 에너지와 테르밋의 정적 에너지의 결합을 통해 구현됨으로써, 화약류 단속법 등과 같은 화약류 규제에 의한 제한없이 즉, 화약의 양을 늘리지 않고도 화약만 이용 시의 발파 반응 시간보다 긴 반응시간을 가질 수 있고, 이로 인해 화약만 이용 시의 에너지 총량보다 더 큰 에너지 총량을 가질 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 발파 장치 및 이를 포함하는 발파 방법은, 화약으로 1차 발파를 구현하고 테르밋으로 2차 발파를 구현하여, 고가의 테르밋을 첨가제 형식으로 사용하게 됨으로써 경제성 및 시공성이 향상되는 효과가 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100: 발파 장치 110: 하우징
111: 내부 고정부 112: 외부 고정부
120: 화약부 130: 비화약부
140: 전색부
B1: 1차 충격파 B2: 2차 충격파
H: 천공 G: 지면(또는 피발파부)

Claims (12)

  1. 화약 반응에 의한 폭발을 통해 동적 에너지를 발현시켜 피발파물을 1차 파괴시키는 화약부; 및
    테르밋 반응에 의한 폭연을 통해 정적 에너지를 발현시켜 상기 피발파물을 2차 파괴시키는 비화약부를 포함하고,
    상기 화약부의 동적 에너지와 상기 비화약부의 정적 에너지의 결합을 통해 진동증가 없이 파괴력을 상승시켜 상기 피발파물을 다단 파괴시키도록 구현되고,
    상기 화약부는,
    진동수치를 유지하면서 파괴력을 증대시키려는 경우, 상기 화약 반응을 일으키는 화약의 양 중 제거되는 화약의 양과 상기 비화약부의 상기 테르밋 반응을 일으키는 테르밋으로 제거되는 화약 대신 치환되는 양과의 비율이 1 : 3 내지 1 : 5 가 되도록 구성되고,
    상기 화약부와 비화약부는, 단일한 갯수로 배치되는 것을 특징으로 하는 발파 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 화약부는, 상기 비화약부의 폭속보다 큰 고폭속 성질을 가지며,
    상기 발파 장치는,
    상기 화약부와 상기 비화약부의 폭속 차이를 통해, 상기 피발파물을 다단 파괴시키도록 구현되는 것을 특징으로 하는 발파 장치.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 화약부는, 폭속이 2,500m/sec 내지 5,000m/sec인 고폭속 성질을 가지며,
    상기 비화약부는, 폭속이 300m/sec 내지 400m/sec인 저폭속 성질을 가지는 것을 특징으로 하는 발파 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 화약부는, 상기 비화약부의 진동보다 작은 저주파 진동 성질을 가지며,
    상기 발파 장치는,
    상기 화약부와 상기 비화약부의 진동 차이를 통해, 감쇄비 조절을 용이하게 하는 효과를 구현하는 것을 특징으로 하는 발파 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 화약부는,
    화약 반응에 의한 폭발의 동적 에너지 중 제1 동적 에너지를 통해 1차적으로 상기 피발파물을 파괴시키고,
    화약 반응에 의한 폭발의 동적 에너지 중 제2 동적 에너지를 통해 상기 비화약부를 유폭 점화시키는 것을 특징으로 하는 발파 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 비화약부는,
    상기 화약부로부터 상기 제2 동적 에너지를 통해 유폭 점화되어 상기 테르밋 반응을 발생시키고,
    테르밋 반응에 의한 폭연의 정적 에너지를 통해 2차적으로 상기 피발파물을 파괴시켜,
    상기 화약부만 이용 시의 피발파물의 발파 과정의 반응 시간보다 긴 반응 시간을 발생시키도록 하고, 상기 화약부만 이용 시의 피발파물의 발파 과정의 에너지 총량보다 큰 에너지 총량을 발생시키도록 하는 것을 특징으로 하는 발파 장치.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 화약부는,
    상기 비화약부와 혼합되어 형성되되, 상기 비화약부가 상기 화약부의 상측에 배치되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 발파 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 화약부는,
    상기 비화약부와 혼합되지 않도록 별도의 챔버를 형성하되, 상기 비화약부가 상기 화약부의 상측에 배치되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 발파 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 화약부의 폭발 및 상기 비화약부의 폭연에 의한 충격파 및 압력파가 상기 피발파물의 발파 위치에 집중되도록 하며, 진흙 및 모래로 구성되는 전색부를 더 포함하며,
    상기 발파 장치는,
    상기 피발파물의 내부에서 외부를 향하는 방향으로 상기 화약부, 상기 비화약부, 상기 전색부 순서로 상기 피발파물에 삽입되는 것을 특징으로 하는 발파 장치.
  12. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 내지 제 7 항 및 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 발파 장치를 이용한 발파 방법에 있어서,
    피발파물에 적어도 하나의 천공을 형성하는 단계;
    상기 피발파물에 상기 발파 장치를 배치하는 단계; 및
    상기 발파 장치를 작동시켜 상기 피발파물을 파괴시키는 단계를 포함하고,
    상기 피발파물을 파괴시키는 단계는,
    화약부의 화약 반응에 의한 폭발을 통해 동적 에너지를 발현시키는 단계;
    상기 화약 반응에 의한 폭발의 동적 에너지 중 제1 동적 에너지를 통해 1차적으로 상기 피발파물을 파괴시키는 단계;
    상기 화약 반응에 의한 폭발의 동적 에너지 중 제2 동적 에너지를 통해 상기 비화약부를 유폭 점화시키는 단계;
    상기 화약부로부터 상기 제2 동적 에너지를 통해 비화약부가 유폭 점화되어 테르밋 반응을 발생시키는 단계;
    상기 테르밋 반응에 의한 폭연을 통해 정적 에너지를 발현시키는 단계; 및
    테르밋 반응에 의한 폭연의 정적 에너지를 통해 2차적으로 상기 피발파물을 파괴시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발파 방법.

KR1020210050946A 2020-04-20 2021-04-20 발파 장치 및 이를 포함하는 발파 방법 KR102396126B1 (ko)

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