KR20060047086A - 전기식 파암용 팽창제 조성물 - Google Patents

전기식 파암용 팽창제 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파암용 팽창제 금속 혼합물에 관한 것으로, 산화제인 금속염과, 금속분말, 탄화수소계 화합물을 주성분으로 혼합하여 제조되는 것으로, 금속 와이어에 대전류를 급속 방전시켰을 때 발생되는 고열과 충격파 에너지에 의해 안정되게 팽창될 수 있는 조성비로 균일하게 혼합되어 구성됨으로써, 금속염과 금속분말의 불꽃 산화 반응과 이때 발생한 불꽃에 의해 탄화수소계 화합물의 연소 산화 반응이 혼합된 이중 산화 및 연소 (Hybrid - Oxidation & Combustion)반응을 진행함으로 하여, 천공을 실시한 암반 내에 손쉽게 응압조건을 얻을 수 있으며, 암반의 파괴조건에 부합되는 기화팽창력을 발생시켜 암반을 파쇄하며, 목적물의 파암시 저소음, 저진동이며 파암 후에도 목적물이 비산되지 않으며, 저장시에 변질이 일어나지 않는 특성을 가진다.
이중 산화 및 연소반응, 탄화수소계 화합물, 암반의 파괴조건, 기화팽창

Description

전기식 파암용 팽창제 조성물{Expansive cell Composition for an Electric rock Destruction}
본 발명은 전기식 파암용 팽창제 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산소공급원인 금속염과 금속분말, 탄화수소계 화합물 분말 등의 혼합물이 금속 와이어에 대전류를 급속 방전시켰을 때 발생되는 고열과 충격파 에너지에 의해 안정되게 팽창되어 암반에의 파쇄력을 높일 수 있는 전기식 파암용 팽창제 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 토목공사에서 암반파쇄 등에 사용되는 화약류 및 폭약류는 내부의 혼합물이 약간의 열 충격에 의해 화학적으로 반응하게 되고 이 화학 반응이 일어나는 순간 대량의 기체 팽창을 일으켜 목적물을 파쇄 한다.
그러나 이러한 화학 및 폭약류는 매우 불안정한 물질이어서 미세한 충격과 마찰뿐만 아니라 열에 의해서도 쉽게 급팽창 반응이 일어나게 되므로 상기 폭약이나 화약 등의 급팽창 물질의 취급에는 많은 안전사고의 위험이 있어 보관시에는 매우 안정된 물질이면서 폭발시엔 큰 폭발력을 얻거나 또는 필요한 정도의 폭발력을 얻도록 조절 가능한 폭발 물질의 개발이 요구되고 있다.
이러한 폭발 물질로는 한국 특허 등록 제213,577호에 개시되어 있는 급팽창 금속 혼합물을 들 수 있는데, 이는 산화제인 금속질산염과, 그 금속질산염에 의해 산화하면서 발열하여 부피를 증가시키는 금속분말과, 그 금속질산염과 금속분말의 산화반응을 촉진시키는 반응촉진제를 적정비율로 배합하여 제조된 것으로서 소음이 작으며 파편을 비산시키지 않는 효과를 얻을 수 있는 것을 주장되고 있으나, 제조된 팽창제가 습기에 취약하여 저장시 변질이 쉽게 발생되고, 변질된 후에는 반응이 쉽게 일어나지 않기 때문에 전원공급부에서 더불어 높은 고전압을 인가해야하므로써 취급상 고도의 전기적인 제어성을 확보해야 하고 안전성면에서 위험이 상존하며, 파암 효과면 에서도 작업성과 경제성이 없으며, 이러한 점을 개선코자 한국공개특허 2003-6083호에서는 비질산 금속염과 금속분말의 혼합물로 구성된 급팽창 금속 혼합물을 제안하고 있는바, 이는 폭발력을 줄여 소음과 진동 및 파편의 비산을 방지하는 효과가 있는 것으로 주장되고 있고, 또 일반적으로 산업현장에서 사용되는 테르밋 용접반응을 일부 응용한 팽창제 제조 방법으로 특수 전색물을 이용한 암반의 응압 조건하에서 효과적인 파암작업이 가능하며, 금속염과 금속분말의 반응 시에 발생하는 고열을 이용한 기화팽창방식에 의해 암반 등의 목적물을 파쇄 한다고 기재하고 있으나, 이 방법은 일반적인 암반의 응압발생 조건과 파괴조건(Fracture - ability Class)을 이해하지 못한 발상이어서 현장에 적용하기에는 무리가 따른다.
일반적으로 암반은 여러 가지 종류와 규모의 불연속면을 가지고 있다. 절리(joint) 및 벽개(cleavage)와 같은 분리면에 속하는 것들, 편리(schistosity)와 층 리(bedding plane) 등 암석 형성 과정의 초기단계에 발생한 것들, 단층(fault)이나 파쇄대(fracture zone)와 같은 대규모적인 지질구조와 연관되는 것 등 다종다양한 구조적 불연속면을 가지고 있으며, 이러한 점 때문에 암반은 역학적인 불균질(heterogeneous)에 이방성(anisotropic)을 갖는 구조로 파악되고 있다. 따라서 상기 비질산 금속염과 금속분말의 혼합물로 제작된 급팽창 금속 혼합물의 경우, 균질(homogeneous)에 등방성(isotropic)을 갖는 이상적인 순수 암반 (intact rock)에서나 극히 제한적으로 적용 가능할 뿐이어서 다양한 형태의 불연속면을 갖고 있는 일반적인 암반에서 응압 조건을 유지하려면 전색물질로 시멘트 모르타르, 석회석, 급결제 등의 특수한 물질을 사용하여 암반 내에 천공된 구멍의 내부에 구조적 불연속면을 코팅 또는 충진하여 충분한 내부 암반의 구조적 취약면등을 제거시켜 응압조건을 유지시켜야만 효과적인 파암작업이 가능하게 된다. 이와같이 상기한 내용처럼 일반적인 암반의 조건에서는 목적물이 파쇄 되지 않으므로, 응압조건을 유지(밀폐 상태를 유지하여야 함)하기 위해 특수한 전색물질을 사용해야하는 문제점이 있는 것이다. 또한 특수한 전색물질의 사용은 필연적으로 전색물이 응압의 조건을 만족하는 내압강도를 갖도록 굳는 시간이 필요하여, 목적물을 파쇄하기위한 작업시간이 증대되며, 주기적인 작업공정을 갖는 토목공사의 특성상 공사기간이 증대함에 따라 공사비용이 증가되는 문제점이 있다. 또한 절리 등이 다수 발달한 암반(heavily jointed rock mass)에서는 특수한 전색물질을 사용하여도 응압 조건의 유지가 어려워 파암효과가 현저히 떨어지는 문제점이 지적되고 있다.
이와같이 비질산 금속염과 금속분말을 이용하여 기화 팽창압으로 암반을 파 쇄하는 선행 특허 방식의 경우 초고압 상태를 발생시키기 위해서 응압조건(밀폐상태)이 유지되어야 하므로 시멘트 모르타르나 급결재 등의 특수한 전색물을 사용하게 되나 요구되는 응압조건이 전색물의 충진으로 달성된다 하더라도 기화 팽창을 하기 위해서는 고온의 유지가 필수적인 반면 폭발 반응시 발생되는 고온의 열이 주변 암반층으로 쉽게 전도되어져 기화 팽창압의 손실을 가져오게 되므로써 파암효과가 저하되는 문제점이 있는 것이다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 제안한 것으로서 그의 목적으로 하는 것은
금속염과 금속분말의 혼합물에 탄화수소계 화합물을 최적의 화학양론(stoichiometry)적 조성비로 혼합하여 사용함으로서, 불꽃 산화 반응과 탄화수소계 화합물의 연소 산화 반응이 혼합된 이중 산화 및 연소 (Hybrid - Oxidation & Combustion)반응을 진행하여 소음과 진동 발생이 줄고 저장시에 변질이 일어나지 않으며, 팽창제의 파암시 필요한 응압조건을 쉽게 획득할 수 있으며, 목적물을 파쇄하고 반응 직후 급속히 입자화 되어 파쇄 목적물의 비산 발생이 현저히 감소되고 폭발 부산물의 수거가 용이하며, 반응 시 저소음, 저진동인 팽창제 조성물을 제공하려는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기식 파암용 팽창제 조성물은 마그네슘, 철, 구리, 알루미늄, 니켈 등 환원제로 사용가능한 금속중에서 선택되는 금속분말과;
상기 금속분말을 산화시키기 위하여 사용되는 황산염, 크롬산염, 질산염, 아 질산염 및 금속 산화물 등에서 선택되는 금속염과;
연소산화 반응 물질로서 첨가되는 탄화수소화합물;의 혼합물로 이루어져 있다.
그리고 상기한 금속염은 70~85중량%이고, 상기 금속분말은 5~10중량%이며, 상기 탄화수소계 화합물은 5~25중량%로 구성된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 전기식 파암용 팽창제 조성물은 불꽃 산화반응물질인 금속염과 금속분말의 혼합물과 연소 산화반응성분인 탄화수소계 화합물 분말로 이루어져있다.
상기 금속염은 상기 금속 분말을 산화시키는 목적으로 사용되는 것으로서 황산염, 크롬산염, 질산염, 아질산염, 등이 사용되거나, 상기 금속분말을 산화시킴과 동시에 산화 반응 속도를 조절하기 위하여 금속 산화물이 사용되고 있다.
상기 금속염 중에서 황산염은 황산구리(CuSO4), 황산칼슘(CaSO4), 황산바륨(BaSO4), 등 기타 금속 황산염의 그룹으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 물질이며, 크롬산염은 중크롬산 암모늄(NH4)2Cr2O7 , 중크롬산칼륨(K 2Cr2O7) 등이며, 질산 염은 질산칼륨(KNO3), 질산구리(Cu(NO3)2, 질산암모늄(NH4NO 3), 질산칼슘(Ca(NO3)2), 질산바륨(Ba(NO3)2 등 기타 질산염의 그룹중에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질이 고, 아질산 염은 아질산 나트륨(NaNO2), 아진산 칼륨(KNO2)등 이다.
그리고 금속염의 일종인 상기 금속 산화물로는 산화크롬(CrO3) 산화칼륨망간(KMnO4), 산화망간(MnO4), 산화납(Pb3O4), 삼산화 이철(Fe 2O3), 산화구리(CuO), 산화 티타늄(TiO2) 등이 사용된다.
상기 금속 분말은 마그네슘, 철, 구리, 알루미늄, 니켈등 기타 환원제로 사용가능한 단위 금속 또는 혼합물로 이루어져있다.
금속염과 금속분말의 연소 산화 반응 물질로서 탄화수소계혼합물이 첨가되는데 탄화수소화합물중에 구조적으로 안정한 글루코스(C6H12O6), 디에칠 파이로 카본 네이트(C6H10O5), 우레아(CO(NH2)2)등의 사용이 적합하며, 금속염 및 금속분말과 사용가능한 분말로 혼합되므로써 폭발시에 열 분해반응을 하여 반응 초기에 1,200??이상의 반응온도를 유지하게 되며, 이때 제한적 가스발생량을 조절할 수 있는 최적의 조성비(Optimization of Multi Component Mixture ratio)로 혼합하게 되는데, 그 혼합 비율은 상기 금속염은 70~85중량%이고, 상기 금속분말은 5~10중량%이며, 상기 탄화수소계 화합물은 5~25중량%가 적합하다.
상기 혼합물에서 금속 염의 혼합 비율은 금속염에서 방출하는 산소의 양과 금속분말의 산화반응에 필요한 산소량과 탄화 수소계 화합물의 연소산화반응에 필요한 화학적 양론(stoichiometry)값의 비율이다.
이하 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 전기식 파암용 금속조성물의 제조 방법을 설명한다.
먼저 상술한 다수의 금속 분말 중 1종의 금속 분말과, 탄화수소계 화합물 중 1종의 분말을 각각 잘게 분쇄한다. 혹은 상술한 다수의 금속 염 중 1종 또는 2종 이상의 금속염을 잘게 분쇄한다. 혹은 상술한 다수의 금속 분말 중 2종 이상의 금속분말을 별도의 혼합 용기에서 혼합하여 분쇄기에 의해 그 혼합물을 잘게 분쇄한다.
다음에 잘게 분쇄한 상기 금속 염과 금속 분말, 그리고 탄화수소계 화합물 분말을 별도의 혼합 용기 내에서 필요한 파암 에너지양만큼 일정량의 비율로 혼합한다.
다음에는 본 발명에 따른 파암용 금속 조성물의 작용 효과를 설명한다.
사용자는 파암을 요하는 공사 현장에 본 발명에 의한 급팽창 금속 혼합물을 배치한다. 다음에 금속 혼합물을 배치한 곳으로부터 일정한 안전거리(약 80m) 떨어진 곳에서 팽창제 내부에 설치된 금속 와이어에 큰 전류를 50-100㎲이내에 급속 방전시킨다. 이때 금속 와이어의 플라즈마 채널에서 발생하는 고열과 충격파 에너지에 의해 혼합물의 불꽃 산화 반응과 탄화수소계 화합물의 연소 산화 반응이 혼합된 이중 산화 및 연소 (Hybrid - Oxidation & Combustion)반응이 발생하며, 이때 탄화수소계 화합물이 분해되면서 발생하게 되는 소량의 가스가 암반내에 응압 조건을 유지시켜 주게 된다. 이는 발생되는 가스가 암반의 틈새들을 밀봉하고 본 발명의 폭약 혼합물의 외주를 감싸게 되는 외부 차폐 현상이 일어나게 되므로써 특수한 전색물을 사용하지 않고도 암반 내에 반응에 필요한 응압과 암반의 파괴조건 (Fracture - ability Class)에 부합되는 기화팽창을 발생시켜 암반을 파쇄시킨 후, 급속히 입자화 되게 되는 것이다.
또한 반응 후 반응생성물이 급속히 입자화 되게 되므로써 목적물의 파암 시 저소음, 저진동이며 파암 후 에도 목적물이 비산되지 않는다.
이하, 본 발명 전기식 파암용 금속 조성물의 구성을 실시 예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
금속염과 금속분말 그리고 탄화수소계 화합물을 혼합함에 있어서, 금속염으로는 산화크롬(CrO3)을, 금속분말은 알루미늄(Al)을, 탄화수소계 화합물로는 글루코스(C6H12O6)을 혼합하여 전기식 파암용 금속 조성물을 얻었다.
이때 산화크롬은 혼합물에 대한 중량비로 72%의 비율을 차지하도록 600g이 첨가되었고, 금속 분말로 첨가된 알루미늄 분말을 54g(6.5중량%), 그리고 글루코스 분말은 180g이 사용되었다.
상기와 같이 하여 얻은 조성물을 카트리지 속에 충진시키고 당해 출원인에 의해 선출원된 특허출원 제2003-39474호에 개시되어 있는 전기식 기폭장치를 이용하여 폭발 실험을 행한 바, 이때 관찰결과 기폭와이어에 순간적으로 대전류가 가해지는 순간 불꽃이 일어났고 뒤이어 연소 반응이 일어나면서 폭발되는 것을 관찰 할 수 있었다.
상기 실시예 1에서 얻어진 전기식 파암용 금속조성물의 반응은 다음과 같다.
6CrO3+2Al+C6H12O6 → Cr2O 3+4Cr+Al2O3+6CO2+6H2O
상기 반응식에서 발생한 CO2 량은 측정결과 134.5ℓ가 발생하였고, H2O는 고온의 영향으로 증기화 되어 가스상으로 존재하였는바 그 양은 134.5ℓ였다.
<실시예 2>
금속염과 금속분말 그리고 탄화수소계 화합물을 혼합함에 있어서, 금속염은 산화망간(MnO2) 금속분말은 마그네슘(Mg)을, 탄화수소계 화합물로는 우레아(CO(NH2)2을 혼합하여 전기식 파암용 금속 조성물을 얻었다.
이때 산화 망간은 348g, 마그네슘은 24g, 우레아는 60g등 총 중량 432g의 파암용 금속 조성물을 얻었다.
상기 실시예 2에서 얻어진 전기식 파암용 금속조성물을 상기 실시예과 동일한 방법으로 폭발 실험을 행한 후 관찰한 반응은 다음과 같다.
4MnO2+Mg+CO(NH2)2 → MgO+4MnO+CO2+N2 +2H2O
상기에서 CO2와 N2는 각기 22.4리터가 발생하였으며, H2O(증기상태)는 44.8리터가 발생되어, 이들 발생 가스가 암반의 갈라진 틈새를 밀봉하고 폭발시 발생한 고열이 암반에로 전도되는 것을 차단하여 고온 상태가 그대로 유지 되는 것을 관찰할 수 있었다.
상기 실시예들에서 보여지는 바와 같이 금속염과 금속분말의 불꽃 산화 반응에서 발생된 고열 (2,500℃ - 35,000℃)과 이때 생성된 불꽃 산화반응에 의하여 탄 화수소계 화합물의 연소 산화 반응이 혼합된 이중 산화 및 연소 (Hybrid - Oxidation & Combustion)반응을 진행함으로 하여, 특수한 전색물을 사용하지 않고도 암반 내에 반응에 필요한 응압과 암반의 파괴조건(Fracture - ability Class)에 부합되는 고체팽창(Solid expansion)력을 발생시켜 암반을 파쇄시킨 후, 급속히 입자화 되어 목적물의 파쇄가 일어난다.
따라서, 종래에서와 같이 전색물의 사용에 의한 특수한 응압 조건을 유지하지 않아도 효과적으로 파암작업을 진행 할 수 있는 특징이 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 전기식 파암용 금속 조성물은 금속 와이어에 대전류를 급속 방전시켰을 때 발생되는 고열과 충격파 에너지에 의해 안정되게 팽창될 수 있는 조성비로 균일하게 혼합되어 구성됨으로써, 금속염과 금속분말의 불꽃 산화 반응과 이때 생성된 불꽃 산화반응에 의하여 탄화수소계 화합물의 연소 산화 반응이 혼합된 이중 산화 및 연소 (Hybrid - Oxidation & Combustion)반응을 진행함으로 하여, 특수한 전색물을 사용하지 않고도 암반 내에 반응에 필요한 응압과 암반의 파괴조건(Fracture - ability Class)에 부합되는 기화팽창력을 발생시켜 암반을 파쇄시킨 후, 급속히 입자화 되어 목적물의 파쇄가 일어난다.
또 본 발명은 탄화수소계 화합물을 사용하여 응압조건을 쉽게 얻을 수 있음과 동시에 저장시에 발생할 수 있는 변질의 가능성 제거하였으며, 화학적으로 안정성이 높아 제조상에서도 매우 높은 안전성을 확보하였다. 또한 탄화수소계 화합물 의 연소 산화 반응시에 발생되는 소량의 가스를 이용하여 팽창제의 파암시 필요한 응압 조건을 쉽게 달성할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 마그네슘, 철, 구리, 알루미늄, 니켈 등 환원제로 사용가능한 금속중에서 선택되는 금속분말과;
    상기 금속분말을 산화시키기 위하여 사용되는 황산염, 크롬산염, 질산염, 아질산염 및 금속 산화물 등에서 선택되는 금속염과;
    연소산화 반응 물질로서 첨가되는 탄화수소화합물;의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 파암용 팽창제 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속염은 70~85중량%이고, 상기 금속분말은 5~10중량%이며, 상기 탄화수소계 화합물은 5~25중량%인 것을 특징으로 하는 전기식 파암용 팽창제 조성물.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 탄화수소 화합물은 글루코스, 디에칠 파이로 카본네이트 및 우레아 등에서 선택되는 물질이 사용되는 것을 특징으로 하는 전기식 파암용 팽창제 조성물.
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