KR20040024286A - 미진동 파쇄제 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화약을 사용하는 발파 현장 중, 저소음이나 미진동의 제어가 필요한 발파 현장에서 폭굉특성을 가진 일반 폭약류와 달리 밀폐된 발파공내에서 급격한 연소에 의한 팽창가스의 작용으로, 콘크리트 또는 암반을 파쇄시키는 미진동 파쇄제 및 조성물에 관한 것으로서, 그 조성물은 산소공급제의 활성 산소(산소량/분자량)가 0.25 - 0.50, 환원제로서 산화반응열이 130 - 400 kcal/mol, 가스 발생제로서 2 개 이하의 니트로기를 갖는 니트로 화합물, 첨가제로서 흑연 또는 미세한 암분 등을 함유하는 혼합 조성물을 합성수지 또는 천연수지의 바인더를 이용하여, 슬러리 상태로 혼화 반죽한 후 일정한 크기의 입자 형태로 조립하여 방수, 방습구조의 플라스틱 재질의 용기에 충전한 파쇄제 및 조성물로서, 화학적 안정성을 개선시켜 장기 저장성이 증가되고, 파쇄시의 폭발소음은 감소됨과 동시에 파쇄 위력을 증가시킨다.
Description
본 발명은 미진동 파쇄제 및 그 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 밀폐된 발파공 내에서 급격한 연소에 의한 팽창가스의 작용으로 콘크리트 또는 암반을 파쇄시키는 미진동 파쇄제 및 그 조성물에 관한 것이다.
폭약을 사용하는 기존의 발파공법은 폭발 소음이 크고, 파편의 비산이 많아서 도심지 또는 인가가 인접한 곳에서는 발파에 제약이 따른다. 이러한 제약이 따르는 곳에서는 브레이커(breaker) 등을 이용한 기계적 파쇄가 이루어질 수 있는데, 이러한 기계적 파쇄는 소음이 계속되는 문제가 있으며, 또한 비용이 비싸게 소요되는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 미진동 파쇄 방법 및 파쇄제가 연구되어 왔다. 대한민국 특허출원 10-1989-0019249 에서는 폭약을 사용하면서 암반에 장입되는 폭약 캡슐의 하부에 폴리에틸렌으로된 유체튜브를 삽입하여 폭약폭발시 유체압에 의해 파쇄가 일어나도록 하는 방법이 제안되었다. 그러나 이 방법은 파쇄할 수 있는 암반의 부피가 극히 제한되어 사용에 문제가 있었으며, 또한 대한민국 특허 제 10- 249346 호, 제 10-239671 호, 제 10-283089 등에서도 통상의 화약을 사용하면서 미진동 파쇄를 이루고자 하고 있으나, 여전히 화약을 사용하고 있어, 화약의 폭발력에 기인한 문제점이 완전히 해결될 수 없었다.
한편 미진동 파쇄를 위한 미진동 파쇄제의 개발도 있어왔다. 파쇄과정을 살펴보면, 발파공내에 파쇄제를 충전하고, 전색(메지)하여 밀폐상태를 유지시킨 상태에서, 점화가 일어난다. 점화에 의해서 파쇄제의 급격한 연소가 진행되는데, 이때 발생되는 고온의 연소가스의 팽창에 의해서 암반 등의 피파쇄제에 균열이 발생하게 된다. 이러한 연소반응은 혼합물 조성에 따라 차이는 있으나, 대략 10 - 50 ms 의 범위로 이루어지는데, 반응속도 측면에서 일반 화약류와 비교한다면 매우 완만한 속도이다. 또한, 혼합물중의 금속성분의 고온가스는 균열을 통하여 외부에 방출됨과 동시에 단열팽창에 의해서 상온까지 급속 냉각되어 고화됨으로서 파편의 비산이나 지나친 폭발음이 발생하지 않게 된다.
그러나 이러한 기존의 미진동 파쇄제는 높은 연소열량에만 의지함으로서, 파쇄제 혼합물의 표면간에서만 급격한 연소가 전파되면서 공발현상(철포현상: 발파공내에서 화약의 급격한 연소에 의하여 메지를 불어내기만 하고 실제 파쇄효과는 없거나, 극히 미약한 현상)이 발생한다. 또한 파쇄제 표면만 급격히 연소 되고, 결과로 발파공내의 잔류약이 주변 온도에 의해서 점화되는 2 차 연소현상과 이에 의한 발파사고가 일어나는 문제점이 있다. 이외에도 파쇄제를 장기 저장할 경우 성능이 현저히 저하되는 문제가 있어 왔다.
본 발명은 파쇄제가 열역학적으로 완전 연소가 이루어지고, 또한 가스생성제가 첨가되어 공발현상 및 2 차 연소현상이 제거되며, 발파공내에서 증가된 가스팽창력에 의해서 콘크리트 구조물과 경암질의 암반의 효과적인 파쇄가 가능한 미진동 및 저소음의 파쇄제 및 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명은 활성 산소가 0.20 - 0.50 인 산화제, 산화 반응열이 130 - 400 kcal/mol 인 금속환원제, 2 개 이하의 니트로기를 가지는 니트로화합물인 가스발생제, 및 균일화제를 포함하는 미진동 파쇄제 조성물을 제공한다.
본 발명의 미진동 파쇄제 조성물에 있어서, 상기 산화제는 조성물에 충분한 산소를 공급하기 위해서 활성산소가 0.25 - 0.50 의 범위인 것이 바람직하다. 상기 활성산소가 0.25 - 0.5 인 산화제는 KNO3, KClO4, KClO3, Ba(NO3)2, MnO2, NaBrO3, Fe2O3, KBrO3, CuO, BaO2, PbO2, Pb3O4등을 사용하는 것이 바람직하다. 각 산화제의 활성산소는 하기의 표 1 에 기재되어 있다.
상기 미진동 파쇄제 조성물은 금속환원제를 포함하는데, 포함된 금속환원제는 점화가 용이하게 이루어지고, 연소시 열량이 높아서 전체 연소반응이 가속되도록 하여야 한다. 이를 위해서 금속환원제는 높은 산화반응열을 가지는 것이 바람직하며, 130 - 400 kcal/mol 의 산화반응열을 가지는 것이 특히 바람직하다. 이러한 산화반응열을 가지는 금속환원제에는 Al, Mg-Al, B, Zr, Ti, Si, Mg 등이 있으며, 각 금속환원제의 산화반응열은 표 2 에 기재되어 있다.
상기 미진동 파쇄제 조성물은 가스발생제를 포함하며, 상기 가스 발생제는 다량의 가스를 발생시켜 파쇄대상물인 콘크리트 구조물 또는 암반의 파쇄효과를 증대 시킬 수 있도록 하기 위해서 비화약류를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 비화약류 가스발생제 중에서는 분해온도가 비교적 낮고, 니트로기(-NO2) 가 2 개 이하인 니트로화합물이 바람직하다(니트로기가 3 개 이상인 니트로화합물은 화약류로 분류되며, 급격한 폭팔성을 나타낸다). 상기의 니트로기가 2 개 이하인 화합물로는 2, 4-DNT(디니트로톨루엔, C7H6N2O4), 디니트로나프탈렌(C10H6N2O4), 디니트로벤젠 (C6H4N2O4) 등으로 이루어진 그룹에서 하나이상 선택될 수 있다.
상기 미진동 파쇄제 조성물은 균일화제를 포함하는데, 포함된 상기 균일화제는 건상 혼합물의 연소속도 및 비중을 균일하게 한다. 이러한 균일화제에는 흑연 또는 미세한 암분을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 미진동 파쇄제 조성물은 상기와 같이 산화제, 금속환원제, 가스발생제및 균일화제를 포함하는데, 상기 조성물의 조성은 조성물의 연소 속도, 가스발생량, 탄동구포 및 콘크리트 파쇄위력을 고려하여 결정되는 것이 바람직하며, 산화제 40 - 75 중량 %, 금속환원제 0.5 - 30 중량 %, 가스발생제 5 - 25 중량 %, 균일화제는 10 - 33 중량 % 를 포함하는 것이 바람직하다.
연소특성을 가지는 상기의 미진동 파쇄제 조성물은 열역학적 반응 특성 및 이상적인 연소를 가정할 경우에, 하기 표 3에서와 같이 연소열의 계산이 가능하다.
상기 표3 과 같이, 각 반응식은 이상적인 반응을 가정한 상태에서 추정하였고, 이를 바탕으로 화학양론(Stoichimetric chemistry)적으로 혼합물 조성을 결정함에 따라, 혼합물 구성이 동일한 경우에는, 상기의 혼합물 조성이 가장 이상적인 연소를 할 수 있는 조성이라고 할 수 있다.
표3 의 각각의 혼합 구성물은, 산화제와 환원제로 구성된 경우, 산화제의 활성산소가 각각 다른 경우, 환원제의 산화반응열이 다른 경우, 산화제와 환원제 이외에 가스 생성제를 포함한 첨가제를 투입한 경우 등에 대하여, 각각의 연소특성을 비교하기 위한 것이다.
상기의 산화제, 금속환원제, 가스발생제 및 균일화제를 포함하는 미진동 파쇄제 조성물은 바인더를 이용하여 조립화 될 수 있다. 바인더는 미진동 파쇄제 조성물의 0.5 - 5 중량% 를 사용하여 조립화 하는 것이 바람직하다. 조립된 입자의 크기는 직경이 0. 5 - 3 mm 로 조립화 되는 것이 바람직하다. 바인더와 미진동 파쇄제 조성물은 혼화된 생성물이 균일하도록 혼화되는 것이 바람직하며, 본원 발명이 속하는 분야에서 통상의 혼화기를 사용할 수 있으며, 제한은 없다. 상기 조립화된 미진동 파쇄제 조성물에 사용하는 바인더로는 스타이렌부타디엔고무, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀루로스 등을 사용하는 것이 바람직하며, 스타이렌부타디엔고무를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
상기의 조립화된 미진동 파쇄제 조성물은 방수 방습을 위해서 플라스틱 용기에 충전하여 미진동 파쇄제로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 플라스틱 용기는 폴리에틸렌 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 용기는 점화구가 결합된 두껑과 몸체로 이루어진 형태로 사용되는 것이 가장 바람직하다.
[실시예]
실시예 1
미진동 파쇄제 조성물의 성능시험
표 4 에 기재된 조성으로(합계 100) 이루어진 각각의 조성물에 파쇄제 조성물에 3 중량 % 의 스타이렌부타디엔고무 바인더 3 % 를 혼합하고, 혼화기로 20 분간 혼화하였다. 혼화되어 조립화된 입자 조성물을 이용하여 연소속도, 가스발생량, 탄동구포위력 및 콘크리트 파쇄위력을 측정하였다.
주1) 연소속도 측정방법: 아래그림참조
그림1
주2) Gas 발생량 측정방법 :
●시험장비 : 용적 150ℓ의 탱크에 고무호스를 U자형으로 연결,양쪽 고무호스의 수위가 동일하게 물을 채운다음, 시험후 고무호스의 수위차에 의한 탱크내부의 압력변화를 측정하는 마노메터(Manometer) 원리를 이용하여, 가스 발생량을 측정함.(시료량 :30 g)
가스 발생량 = 150 ℓ× ( 1 atm + 수위차×2 /1033 ㎜H₂O) - 150 ℓ ● 시료 처리 : 시료 특성상 연소속도가 느림에 따라 컨파인메트(confinemet)가 좋지 않을경우, 점화시에 시료가 비산되어 완전연소가 되지 않음으로, 그림과 같이 시료를 밀폐 처리하여 완전 연소가 되도록 함.
그림2
주3) 탄동구포위력 측정법 : 기준약은 TNT 10g으로 하고, 시료는 20g 으로 하여, KS M 4802 3.4.1항에 따라 측정함.
주4) 콘크리트 파쇄위력 : 가로,세로,높이가 1m 인 무철근 콘크리트 중앙에 깊이 Φ지름 30mm, 깊이40cm의 구멍을 뚫고, 시료 30g 을 장전하여 점화시켰을때, 파쇄된 콘크리트(가로,세로 약 10cm 이상 크기)갯수, 파편 비산거리 등을 측정함.
상기 표4 의 시험결과에서, 시료NO.1과 2번은 산화제의 활성 산소나, 환원제의 산화반응열이 극히 낮은 것을 사용한 경우에는 파쇄력이 거의 없음을 나타내며,시료 NO.3과 4는 활성산소가 양호한 산화제와 산화반응열이 높은 환원제만을 혼합한 경우, 급격한 연소속도로 인하여 높은 소음과 동시에 철포현상이 발생하였고, 가스발생량이 적어, 파쇄효과는 미흡하게 나타났으며, 시료 NO.5와 6은 가스생성제를 포함한 연소 첨가제를 함유하고 있으나, 활성 산소가 낮은 산화제를 적용함으로써, 혼합물이 분해하는데 필요한 적절한 양의 산소가 공급되지 않아, 극히 완만하게 분해반응이 이루어 진 것이고, 시료 NO.7∼9 는 산화제 및 환원제, 연소안정제는 양호하나, 가스생성제가 첨가되지 않아서, 파쇄위력이 다소 약하게 나타났으며, 시료 No.10∼12는 가스생성제(니트로기가 2개 이하인 니트로화합물)를 첨가함으로써, 시료 NO.7∼9보다 상대적으로 파쇄위력이 현격히 증가되는 것으로 나타났다.
실시예 2
미진동 파쇄제 조성물의 안정성 비교
하기의 표 5 에 기재된 조성(합계 100)으로 이루어진 각각의 조성물에 대해서 발화점, 낙추감도, 마찰감도를 측정하여 각각의 조성물에 대한 안정성을 측정하였다.
주)발화점은 정온가열식, 낙추감도는 KSM 4802 3.2.1항, 마찰감도는 KSM 4802 3.2.3항에 따라 실시
상기 표5 와 같이 각 시료에 대한 안전도를 평가하기위한 감도시험을 실시한 결과, 모든 시료의 화염감도 및 충격감도가 둔감한 값으로 측정됨에 따라, 취급 및 사용시상의 안전성은 확보된 것으로 나타났다.
실시예 3
미진동 파쇄제 조성물의 적용시험
하기의 표 6 에 기재된 조성(합계 100)으로 이루어진 각각의 조성물에 파쇄제 조성물에 3 중량 % 의 스타이렌부타디엔고무 바인더 3 % 를 혼합하고, 혼화기로 20 분간 혼화하였다. 혼화되어 조립화된 입자 조성물을 이용하여 각종암석에 대해서 철포발생여무, 발파진동, 발파소음, 잔류약 유무를 확인하였다.
상기 표6 의 산화제 종류별로 표3 에 나타낸 조성을 응용하여 시료를 제조하여, 발파현장에서 적용시험을 실시한 결과, 시료A의 경우가 발파소음이 다소 큰 것을 제외하고, 파쇄효과, 진동치 및 발파소음 모두 양호하게 나타남을 확인 하였다.
본 발명에 따라 제공된 미진동 파쇄제 조성물은 화학적 안정성이 증가되었고, 또 파쇄시에 폭발소음 및 진동이 현격히 감소됨과 동시에 콘크리트를 포함하는 경암을 파쇄할 수 있는 위력을 가짐으로서, 진동 및 소음을 규제하는 발파장소에서도 사용이 가능하다.
또한 이러한 미진동 파쇄제 조성물은 그 취급 및 사용시에 있어서 높은 안정성을 나타낸다.
Claims (3)
- 콘크리트 또는 암반 파쇄용 미진동 파쇄제 조성물에 있어서, 상기 조성물은 활성 산소가 0.20 - 0.50 인 산화제, 산화 반응열이 130 - 400 kcal/mol 인 금속환원제, 2 개 이하의 니트로기를 가지는 니트로화합물인 가스발생제, 및 균일화제를 포함하는 미진동 파쇄제 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 니트로화합물은 디니트로톨루엔, 디니트로나프탈렌, 디니트로벤젠으로 이루어진 그룹에서 선택되며, 상기 조성물 중 상기 니트로화합물은 5 - 25 중량 % 인 미진동 파쇄제 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 과립화를 위하여 스타이렌부타디엔고무, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀루로오스로 이루어진 그룹에서 하나 이상 선택되는 바인더를 상기 조성물 중량의 0.5 - 5 중량 % 포함하는 미진동 파쇄제 조성물.
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