KR20010035239A - 시추공을 이용한 탄성파 탐사방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시추공을 이용한 탄성파 탐사방법에 관한 것이다. 특히, 기존의 탄성파 탐사방법이 지표탐사에 의하여 이루어졌으나 본 방법에서는 기본적으로 시추공 내에 탄성파를 감지할 수 있는 하이드로폰 등의 수진기를 설치하고 발파기 또는 발진기를 시추공의 상부 지표면 또는 수진기가 설치되지 않은 적어도 하나 이상의 시추공을 형성하여 이러한 시추공 내에 수진기를 설치하여 탄성파 탐사를 수행하고자 하는 것이다. 이러한 시추공을 이용한 탐사방법에 의하여 주변의 공간적인 영향을 배제할 수 있을 뿐만 아니라 시추공내에서 발파를 수행하므로 보다 깊은 심도까지의 지질구조에 관한 자료를 얻을 수 있고 해당 심도를 통과하는 탄성파 자료를 용이하게 얻을 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 탄성파 탐사방법에 관한 것으로, 특히 시추공내에 탄성파를 감지할 수 있는 수진기를 또는 발진기와 수진기를 배치하여 탄성파를 검출하는 탄성파 탐사방법에 관한 것이다.
일반적인 지하구조의 탐사방법 중에서 가장 기본적인 방법은 특정 지역을 다수개의 블록으로 분할 후에 이들 각각의 블록의 특정 위치에 시추공을 뚫고 암석 샘플들을 채취하여, 이 샘플들에 대하여 야외 또는 실내에서의 분석을 통하여 지하구조에 대한 암석의 종류 및 성분 등에 대한 분석을 통하여 층에 대한 지질구조를 나타내는 프로파일을 결정하여 분석한다.
그러나, 상기와 같은 지반에 대한 시추를 통한 지하구조에 대한 자료수집은 막대한 비용과 함께 시간적 그리고 지형적인 여러 가지 제한요소를 가지고 있다. 그 중에서도, 대형의 터널설계 등을 위해서는 지질조사가 반드시 선행되어야 하는데 이러한 경우에는 시추조사시에 막대한 비용과 함께 탐사에 어려움이 있다.
따라서, 시추조사를 통한 방법에는 상기와 같은 문제점이 있기 때문에 이를 개선하기 위하여 기초적인 지질조사와 함께 탄성파탐사를 병행하고 있다. 탄성파탐사는 지표면이나 수면에서 인위적으로 발생시킨 탄성파가 지하 지층에서 반사되거나 또는 굴절되어 되돌아오는 것을 수진기로 기록하여, 지하지질구조나 암석의 물리적 특성을 규명하고 지하에 매장되어 있는 석유, 가스 또는 광물자원을 탐사하는 방법으로 탐사방법에 따라 반사법 탄성파탐사와 굴절법 탄성파탐사로 크게 구분된다.
굴절법 탄성파 탐사법은 지질학적 구조나 탄성파 속도 분포를 파악하기 위하여 선두파를 이용하는 것으로, 탄성파의 전파 과정에서 임계굴절이 일어 날 수 있는 경우에만 사용될 수 있다. 즉, 속도가 낮은 상부층에서 속도가 높은 하부층에 임계각으로 입사한 파는 층의 경계면에 평행하게 굴절된다. 이 때 에너지는 경계면을 따라 하부층의 속도로 전파되며 에너지의 일부는 연속적으로 상부층으로 재굴절하여 지표면에 도달하게 되는데 이를 선두파라고 한다.
음원으로부터 지표면에서 최초의 굴절파가 감지되는 지점까지의 거리를 임계거리라고 하고, 굴절파가 직접파를 앞질러 처음 초동으로 나타나는 지점까지의 거리를 교차거리라 하며, 굴절파의 주시를 나타내는 직선을 영점거리까지 임의로 연장하였을 때 시간 축과 만나는 시간을 시간절편이라고 한다. 굴절법 탄성파 탐사에서는 일반적으로 각 수진점에 도달하는 직접파와 선두파의 초동만을 읽어 주시곡선을 작성하고, 주시곡선 상에서 나타나는 각 직선들의 기울기로부터 지층의 속도를 결정한 후 각 지층의 경계면까지의 깊이를 계산한다.
이러한 굴절법의 원리는 일찌기 지진학자들이 지구 내부의 속도 분포를 연구하는 데 응용되었으며, 구텐베르그(1912)가 제시한 음영대의 존재나 모호불연속면의 발견 등은 모두 지진 기록으로부터 굴절파 자료를 해석한 결과에 의한 것이다. 1920년대에 들어와서 굴절법 탐사방법이 개발되면서 석유 부존에 매우 중요한 구조인 암염돔(salt dome) 등을 찾는 데 효과적으로 이용 되었다.
최근의 석유탐사에서는 거의 대부분 반사법을 이용하고 있으나, 댐이나 도로 건설 등을 비롯한 대규모 구조물 설치를 위한 기반 조사에서는 굴절법이 더욱 적절하며, 미개발지역의 예비 지질조사, 지하수 탐사 및 광물탐사 등에도 굴절법이 널리 이용되고 있다. 또한 반사법 자료의 풍화대 보정에 필요한 지표층의 정보를 얻는데도 굴절법 자료가 이용된다. 특히 굴절법 조사를 실시하는데 있어서 시추공을 함께 사용할 수 있으면 보다 효과적인 결과를 얻을 수 있다.
또한, 반사법 탄성파탐사는 지층의 음향 임피던스의 차이에 의해 지층 경계면에서 반사되는 탄성파를 지표에서 기록하여 작성한 탄성파 단면도로부터 지질학적, 층서학적 정보를 얻는 물리탐사법이다. 반사법 탄성파탐사는 육상이나 해상에서의 자료획득 단계, 획득된 자료로부터 일차 반사파 신호만을 강화시키고 잡음을 제거하는 여러 가지 과정의 자료처리 단계 그리고 탄성파 단계를 해석하는 단계 등 크게 세 가지 과정을 거쳐서 이루어진다.
이러한 반사법 탐성파탐사는 해상력이 뛰어나며, 실제의 지질 단면도와 유사한 탄성파 단면도를 얻을 수 있어 석유탐사와 같은 정밀 탐사, 각종 대형 토목공사(터널 시공시 정밀조사, 지하철공사, 고속전철, 원유비축기지 등)에 가장 많이 사용된다.
그러나, 상기에서와 같이 지표면이나 수면에서 행해지는 탄성파탐사는 다음과 같은 제한요인을 가지고 있다.
첫째로, 우리나라의 지형상 대부분의 대형 터널설계를 하기 위해서는 지형의 특성상 주로 지표면 하부 200여 미터 이상의 대심도 지반탐사가 필요하다. 그러나 굴절법 탄성파탐사에 의해서는 대심도 지반해석에 한계가 있다.
둘째로, 경사가 심한 산악지형에서는 그 경사 때문에 해석상의 오차가 발생할 가능성이 매우 크다. 셋째로, 도심지와 같은 인구밀집지역에서는 주위의 소음, 진동 등에 의하여 실제의 데이터와 다른 데이터가 포함되어 데이터의 해석에 오류를 가져올 수 있다. 더욱이 인구밀집지역에서는 탄성파탐사를 위한 발파를 할 수 있는 지점을 찾는다는 것이 공간적으로 제약이 따른다.
따라서, 본 발명의 목적은 지표 탄성파탐사에 따른 문제점을 해결하고자 하는 것으로 시추공을 이용한 탄성파 탐사법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 도심지와 같이 공간적으로 제약조건을 가지는 환경하에서 탄성파 탐사를 수행할 수 있는 하향식 탄성파 탐사방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 시추공을 이용한 탄성파 탐사방법은
탄성파 탐사를 위하여 소정의 지역내에 하나의 시추공은 송신홀로 그리고 나머지 시추공은 수신홀로 이용하기 위하여 적어도 2 이상의 시추공을 형성하고,
상기 송신홀의 내부에 탄성파의 발생을 위한 발파용 폭약을 설치하고 상기 수신홀의 내부에는 상기 송신홀에서 발생되는 탄성파를 수신하기 위한 수신기를 설치하고, 그리고
상기 수신홀에서 얻어지는 탄성파 데이터를 분석하여 지하구조에 대한 2차원/3차원 구조를 해석하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 시추공을 이용한 탐사방법은
탄성파 탐사를 위하여 소정의 지역내에 하나의 시추공을 형성하고,
지표면에 탄성파의 발생을 위한 발진기를 설치하고 상기 시추공의 내부에는 상기 발진기에서 발생되는 탄성파를 수신하기 위한 수신기를 설치하고, 그리고
상기 시추공내의 수신기에서 얻어지는 탄성파 데이터를 분석하여 지하구조에 대한 2차원/3차원 구조를 해석하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 시추공을 이용한 탄성파 탐사방법에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1 는 본 발명에 따른 시추공을 이용한 탄성파 탐사방법의 실시예의 개념적인 특성을 도시하는 도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 시추공을 이용한 탄성파 탐사방법의 다른 실시예의 개념적인 특성을 도시하는 도이다.
도 3a 는 지표면의 경사가 완만한 도심지, 중요 절토지 또는 터널 입출구와 같은 곳에서 이루어진 탐사결과를 도시한 도이고, 도 3b 는 깊은 심도를 가지는 대형 터널에서 이루어진 탐사결과를 도시한 도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 ... 시추공 20 ... 발진기 또는 발파기
30 ... 공내수진기 40 ... 시추공
50 ... 지표수진기
본 발명에서의 상기에서 기술한 바와 같이 종래의 표면탐사에서의 문제점을 개선하고자 하는 것으로 가장 기본적인 특징을 시추공을 이용하여 그 내부에 설치되는 수진기를 이용하여 탄성파를 수신한다는 점이다. 이를 크게 나누어 생각하면 첫 번째 실시예로는 하나의 시추공내에 수진기를 설치하고 표면에서 발파기 또는 발진기를 이용하여 탄성파를 발생시켜서 지하구조를 거쳐서 수신되는 탄성파를 이용하는 방법과 두 번째 실시예로는, 다수의 시추공을 형성하고 그중 하나의 시추공에 발파기 또는 발진기 등을 설치하고 나머지 시추공 들에는 수진기를 설치한 후에 발파기 또는 발진기에서 발생되는 탄성파를 감지하여 지하구조를 해석하고자 하는 것이다.
이러한 본 발명의 특징을 도면을 참조하여 살펴본다.
도 1 는 본 발명에 따른 시추공을 이용한 탄성파 탐사방법의 실시예의 개념적인 특성을 도시하는 도이다. 도 1 에서 10 은 시추공, 20 은 시추공의 입구측에 놓인 탄성파를 발생시키기 위한 발파기 또는 발진기이고, 30 은 발파기(20)에서 발생된 탄성파를 감지하기 위한 수진기(공내수진기)이고, 50 은 지표면에 설치된 수진기(지표수진기)이다.
상기와 같은 구성과 관련하여 동작을 설명하면 다음과 같다. 기존의 탄성파 탐사방법에서는 지표면에 발파기(20)와 수진기(30)를 지표면에 고정하고 시작하지만 본원발명에서는 조사규모에 따라 시추공(10)의 깊이를 결정하여 시추공을 형성한다. 시추공(10)을 형성한 후에는 소정 깊이에 수진기(30)를 위치시킨다. 물론, 다양한 자료를 얻기 위하여 지표면에 설치되는 지표수진기(50)를 설치할 수 있다.
수진기(30)로는 3성분 지오폰(geophone)을 널리 사용하고 바람직하게는 하이드로폰을 사용한다. 이러한 수진기(30)는 일종의 압력센서로 시추공(10)내에서의 압력변화를 감지하는 장비이다. 통상적으로, 지표면에서는 가속도계의 일종인 지오폰을 이용하여 탄성파를 측정할 수 있지만 시추공내에는 대부분 지하수 등의 물이 차있는 상태이므로 물의 압력변화를 감지할 수 있는 하이드로폰을 이용하여 탄성파를 측정하는 것이 바람직하다. 발파기(20)에는 다이너마이트를 사용하는 발파기 또는 또한 충격을 가하여 탄성파를 발생하는 발진기중 어느 것을 사용하여도 가능하다.
도면에 도시된 것처럼 구성이 갖추어지면 탐사시에는 발파기(20)에서 다이너마이트를 발파시키기나 또는 발진기 등을 이용하여 탄성파를 생성하면 이러한 탄성파는 진원지에서부터 탄성파가 지하구조로 전파해 나간다. 그러면 시추공(10)내의 소정 깊이에 위치하고 있는 수진기(30)에 탄성파로 인한 압력이 전달된다. 수진기(30)에 전달된 탄성파 데이터는 미도시된 탄성파 기록장치로 데이터를 전달한다.
데이터가 기록장치에 탄성파가 수집되면 측정 지역을 격자 형태로 수학적 모델링을 하여 수식에 적용하면 일련의 행렬식을 얻을 수 있다. 행렬식이 얻어진 상태(방정식)에서 해(탄성파 속도)를 구하는 과정은 반복계산을 통하여 가장 근사치를 만족하는데 이를 역해석이라 하며 그 결과로 이차원 영상 단면(토모그래피)이 얻어진다.
즉, 발파 또는 발진이 이루어진 지점에서 데이터를 감지하는 수진점까지 탄성파가 통과하는 최소 경로를 반복연산에 의하여 구하면서 각 요소의 탄성파속도를 결정한다. 실제 현장에서 측정되는 데이터는 탄성파가 가장 빨리 도달하는 시간을 측정하여 이를 입력자료로서 사용하는데, 이는 최소 경로를 파악하는 것이 해를 구하는 일차적인 것이고, 이를 위해서는 앞서 언급한 격자모델에 대한 수학적 식에 대한 반복연산을 수행하면서 각 격자에 대한 탄성파 속도를 결정하여 결과를 얻게된다.
상기에서와 같이 탄성파에 대한 자료에 대한 분석은 이미 널리 알려져있는 방식에 따라 이루어진다.
상기의 실시예에서는 단일의 시추공을 사용하고 탄성파 발생원이 지표이므로 장비 및 탐사방법이 비교적 간편하고 시추공의 편향도 측정이 필요없고 주위 소음의 영향도 적다.
본 발명의 다른 실시예를 도 2 를 참조하여 설명한다. 도 2 에서의 실시예는 도 1 에 도시된 실시예가 하나의 시추공을 이용하여 탄성파 탐사를 하는 것인데 반하여 도 2 의 실시예에서는 하나의 시추공에 발파기 또는 발진기를 형성하고 나머지의 적어도 하나 이상의 시추공에 수진기를 설치하여 탄성파 탐사를 수행하는 것이다.
도 2 에서는 간략히 표시하기 위하여 2 개의 시추공만을 도시하였다. 먼저, 송신홀로서의 역할을 하는 시추공(10)에는 탄성파를 생성하기 위한 발진기(20)가 설치되고, 수신홀로서의 역할을 하는 다른 시추공(40)에는 발진기(20)에서 생성되는 탄성파에 의한 압력변화를 감지하기 위한 수진기(30)가 설치된다. 즉, 발진기(20)에서 생성된 탄성파는 송신홀(10)과 수신홀(30) 사이의 지하구조물(암반)을 매개로 하여 전파되어 수진기(30)에서 신호가 수신되어 이 신호는 탄성파 기록장치에 기록이 된다.
이렇게 송신홀(10)내에서 발진하여 수신홀(40)에서 수진되는 감지되는 탄성파로는 지하의 경계면 등에서 반사, 굴절되어 도달하는 파보다 빨리 도달되는 직접 전달파가 감지되기 때문에 반사파 또는 굴절파의 경우보다 발진기(20)와 수진기(30) 사이에 존재하는 지질구조의 존재 및 형태를 보다 정확히 해석할 수 있는 장점이 있다.
그리고 이렇게 탐사된 구조를 모델로 하여 해석함에 있어서 전체를 유한요소로 세분하여 계산한다. 따라서, 기존의 굴절탐사법의 경우에는 구조모델을 단순히 평면으로 가정하고 해석하였으나, 본원발명에서는 2 차원적으로 해석이 가능하며 급격한 지형 및 층변화에 대한 해석이 가능하다. 그리고 기존의 굴절법에 의한 해석은 지하구조의 층별 평균속도만 계산되므로 원하는 구간의 설계정수를 세부하여 나눌 수 없었으나, 토모그래피해석은 실제의 지형 단면을 그래프로 이용하여 여러 개의 격자로 나눈 후에 탄성파 경로를 추적하여 해석하므로 지형구간별 설계정수를 연속적으로 얻을 수 있기 때문에 지형에 대한 보정이 가능하다.
이러한 과정에 의하여 해석된 단면을 도 3a 및 3b 에 그 일예들을 도시하였다. 도 3a 는 지표면의 경사가 완만한 도심지, 중요 절토지 또는 터널 입출구와 같은 곳에서 이루어진 탐사결과를 도시한 것이고, 도 3b 는 깊은 심도를 가지는 대형 터널에서 이루어진 탐사결과를 도시한 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따른 시추공을 이용한 탄성파 탐사방법은 지반조사를 위한 시추공내에 하이드로폰을 삽입하여 탄성파 탐사를 실시하므로 주변의 공간적인 영향을 배제할 수 있을 뿐만 아니라 시추공내에서 발파를 수행하므로 보다 깊은 심도까지의 지질구조에 관한 자료를 얻을 수 있고 해당 심도를 통과하는 탄성파 자료를 용이하게 얻을 수 있는 효과가 있다. 또한, 깊은 심도의 측정을 위하여는 많은 양의 폭약을 사용하여야 하는데 지표에서는 안전과 관련하여 곤란하지만 조사시 굴진된 시추공내에서 발진하면 보다 안전하게 많은 양의 폭약을 쓸수 있어서 깊은 심도에 대한 정밀한 측정이 가능하다.
본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 청구범위에서 정의된 것처럼 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 다양한 수정을 할 수 있다.
Claims (4)
- 탄성파 탐사를 위하여 소정의 지역내에 하나의 시추공은 송신홀로 그리고 나머지 시추공은 수신홀로 이용하기 위하여 적어도 2 이상의 시추공을 형성하고,상기 송신홀의 내부에 탄성파의 발생을 위한 발파용 뇌관을 설치하고 상기 수신홀의 내부에는 상기 송신홀에서 발생되는 탄성파를 수신하기 위한 수신기를 설치하고, 그리고상기 수신홀에서 얻어지는 탄성파 데이터를 분석하여 지하구조에 대한 2차원/3차원 구조를 해석하는 것을 특징으로 하는 시추공을 이용한 탄성파 탐사방법.
- 탄성파 탐사를 위하여 소정의 지역내에 하나의 시추공을 형성하고,지표면에 탄성파의 발생을 위한 탄성파발생장치를 설치하고 상기 시추공의 내부에는 상기 탄성파발생장치에서 발생되는 탄성파를 수신하기 위한 수신기를 설치하고, 그리고상기 시추공내의 수신기에서 얻어지는 탄성파 데이터를 분석하여 지하구조에 대한 2차원/3차원 구조를 해석하는 것을 특징으로 하는 시추공을 이용한 탄성파 탐사방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 수신기는 하이드로폰인 것을 특징으로 하는 시추공을 이용한 탄성파 탐사방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 수신기에는 반사 또는 굴절되지 않은 직접 전달파가 먼저 도달하는 것을 특징으로 하는 시추공을 이용한 탄성파 탐사방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100440726B1 (ko) * | 2002-03-15 | 2004-07-19 | 삼성중공업 주식회사 | 교량 기초 우물통의 암반장착 확인장치 |
| KR100742773B1 (ko) * | 2006-01-12 | 2007-07-26 | 고려대학교 산학협력단 | 탄성파속도 측정장치 및 그를 이용한 측정방법 |
| KR101386089B1 (ko) * | 2013-11-29 | 2014-04-16 | 엔아이에스컨설턴트 주식회사 | 시추공의 물채움 및 배수가 가능한 탄성파 토모그래피 탐사장치 |
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| KR101528831B1 (ko) * | 2015-02-02 | 2015-06-16 | 주식회사 하이드로넷 | 싱크홀 탐지 기능을 갖는 지하수 관측 시스템 |
| KR101591430B1 (ko) * | 2015-04-07 | 2016-02-03 | 한국지질자원연구원 | 지하구조 파악방법 및 이를 이용한 셰일가스 시추방법 |
| CN109375251A (zh) * | 2018-09-29 | 2019-02-22 | 山东大学 | 利用城市既有地下空间与地表的探测方法及系统 |
| CN113338897A (zh) * | 2021-07-06 | 2021-09-03 | 中国十七冶集团有限公司 | 一种采空区勘测钻检一体化设备安装及使用方法 |
-
2001
- 2001-01-22 KR KR1020010003633A patent/KR20010035239A/ko not_active Application Discontinuation
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| CN113338897A (zh) * | 2021-07-06 | 2021-09-03 | 中国十七冶集团有限公司 | 一种采空区勘测钻检一体化设备安装及使用方法 |
| CN113338897B (zh) * | 2021-07-06 | 2024-03-15 | 中国十七冶集团有限公司 | 一种采空区勘测钻检一体化设备安装及使用方法 |
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