KR20110004105A

KR20110004105A - 탄성파 탐사용 횡파 발생장치

Info

Publication number: KR20110004105A
Application number: KR1020090061747A
Authority: KR
Inventors: 최병희; 류창하; 류동우; 송원경; 정주환; 김현도
Original assignee: 한국지질자원연구원
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2011-01-13
Also published as: JP5116753B2; KR101120485B1; JP2011017687A

Abstract

탄성파 탐사용 횡파 발생장치가 개시된다. 본 발명에 따른 탄성파 탐사용 횡파 발생장치는 지반에 형성된 탐사용 시추공에 삽입되는 본체, 시추공벽에 접근 및 이격되는 방향을 따라 이동가능하게 본체에 설치되어 시추공벽에 밀착됨으로써 본체를 시추공벽에 고정시키는 고정체, 본체를 제1방향으로 타격하여 진동을 발생시키는 제1타격체, 본체를 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 타격하여 진동을 발생시키는 제2타격체를 구비하여, 제1타격체와 제2타격체는 순차적으로 본체를 타격하여 횡파를 발생시키는 것에 특징이 있다.

Description

탄성파 탐사용 횡파 발생장치{Transverse wave generating apparatus for seismic survey}

본 발명은 탄성파를 이용하여 암반 및 지반조사를 수행하는 탄성파 탐사장치에 관한 것으로서, 특히 횡파를 주요 탄성파로 발생시키는 횡파 발생장치에 관한 것이다.

지반의 강성도 계측 등 암반 및 지반을 조사하기 위한 목적으로 탄성파 탐사가 사용되고 있다. 탄성파 탐사에는 다운홀 탐사법과 업홀 탐사법은 하나의 시추공을 이용한 것으로서, 특히 다운홀 탐사법은 시추공 내에 탄성파 발생장치를 삽입하여 시추공벽에 충격을 가함으로써 탄성파를 발생시키고 지표면에서는 지반을 통해 전파된 탄성파를 복수의 수신기를 이용하여 수신하는 방식으로 이루어진다. 그리고 크로스홀 탐사법에서는 시추공을 나란하게 두 개 형성한 후, 일측의 시추공에는 탄성파 발생장치를 삽입하고 다른 시추공에는 복수의 수신기를 삽입하여 탄성파를 발신 및 수신한다.

상기한 바와 같은 탄성파 탐사에서서 사용되는 탄성파는 실체파(body wave)로서 자연에서는 종파(P파)와 횡파(S파)가 존재한다. 종파와 횡파는 서로 상반되 면서도 상호 보완관계에 있다. 즉, 종파는 입자의 진동방향이 파의 진행방향과 동일하여 고체, 액체, 기체의 모든 매질에서 전달될 수 있는 반면, 횡파는 입자의 진동방향이 파의 진행방향과 수직하고 고체 중에서만 전달된다.

일반적으로 암반, 지반의 특성을 파악하는데 있어서 종파를 이용한 탐사가 수행되어 왔는데. 이는 종파가 횡파에 비해 발생시키기가 쉽고 전파가 용이하기 때문이다. 하지만 횡파는 암석의 여러 가지 물성들과 상관도가 높아, 종파와 함께 횡파를 이용하면 조사 대상이 되는 암반의 성질들과 관련된 많은 정보를 얻을 수 있다. 예컨대 전단탄성률(shear modulus), 포아송비 영율 및 종파-횡파 속도비 등의 지반에 대한 정보를 탄성파 탐사를 통해 획득할 수 있다.

한편, 전단탄성률과 같은 정보들은 종파와 횡파의 속도를 변수로 활용하는 바, 탄성파 탐사에서 종파와 횡파의 속도를 측정하는 것이 매우 중요한 요소인데, 일반적으로 종파의 도달시간의 판독은 용이한 반면 횡파는 종파 이후에 나타나는 지층의 불균질체에 의한 반사파, 회정파 및 P-S변환파들에 의해 가려지기 때문에 도달시간의 판독이 매우 어렵다. 이에 횡파를 이용한 탄성파 탐사에서는 시추공벽에 충격을 가할 때 상방향으로 타격을 한 후 하방향으로 다시 타격을 하여 위상이 정반대가 되는 횡파를 순차적으로 발생시킨다. 수신기에서는 순차적으로 발생된 신호들을 각각 수신하고 수신한 두 개의 신호를 중첩시킴으로써 위상차 발생지점을 피킹할 수 있으며, 이를 통해 횡파의 도달시점을 명확하게 판별할 수 있다.

종래의 횡파 발생장치에서는 위상이 반대가 되는 탄성파를 발생시키기 위하여, 장치를 시추공벽에 고정시킨 뒤 사람이 직접 타격바를 장치를 향해 자유낙하 시켜서 하향타격을 실시하였으며, 상향타격은 타격바를 줄에 연결한 뒤 장치의 하부에 배치시킨 상태에서 타격바를 직접 끌어 당겨서 장치를 타격하는 방식으로 수행되었다.

이에 상향타격과 하향타격을 동일한 조건으로 수행할 수 없으므로, 주파수와 진폭이 동일하며 위상만이 정반대인 탄성파가 발생되지 않아 횡파의 초동 발췌에 한계가 있었다. 또한, 타격바가 줄에 연결되어 있어서 줄과 시추공벽 사이에 마찰음이 많이 발생하여 신호대 잡음비를 현저하게 떨어뜨리는 문제점이 있었다.

또한, 종래와 같이 줄에 연결된 타격바를 사람이 직접 타격하는 방식은 시추공이 수직하게 형성된 경우에만 사용가능하였으며, 시추공이 횡방향으로 형성된 경우 사용이 불가능하다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 횡파의 초동 발췌를 정밀하고 용이하게 수행할 수 있으며, 시추공의 형성방향에 무관하게 용이하게 사용할 수 있도록 구조가 개선된 탄성파 탐사용 횡파 발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 횡파 발생장치는 지반에 형성된 탐사용 시추공에 삽입되는 본체, 상기 시추공벽에 접근 및 이격되는 방향을 따라 이동가능하게 상기 본체에 설치되어 상기 시추공벽에 밀착됨으로써 상기 본체를 상기 시추공벽에 고정시키는 고정체, 상기 본체를 제1방향으로 타격하여 진동을 발생시키는 제1타격체, 상기 본체를 상기 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 타격하여 진동을 발생시키는 제2타격체를 구비하여, 상기 제1타격체와 제2타격체는 순차적으로 상기 본체를 타격하여 횡파를 발생시키는 것에 특징이 있다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 제1방향을 따라 상기 제1타격체에 대하여 접근 및 이격가능하게 설치되는 제1이동판, 상기 제1타격체와 제1이동판 사이에 배치되며 상기 제1타격체와 제1이동판이 상호 접근시 압축되어 상기 제1타격체를 상기 제1방향으로 탄성바이어스 하는 제1스프링, 상기 제2방향을 따라 상기 제2타격체에 대하여 접근 및 이격가능하게 설치되는 제2이동판 및 상기 제2타격체와 제2이동판 사이에 배치되며 상기 제2타격체와 제2이동판이 상호 접근시 압축되어 상기 제2타 격체를 상기 제2방향으로 탄성바이어스 하는 제2스프링을 더 구비하는 것이 바람직하며, 상기 제1스프링과 제2스프링은 스프링상수가 동일하여, 상기 제1스프링과 제2스프링이 압축된 후 상기 제1타격체 및 제2타격체에 가하는 힘은 동일한 것이 더욱 바람직하다.

또한 본 발명에 따르면 상기 제1타격체와 제2타격체 사이에 배치되는 실린더와, 상기 실린더에 왕복이동 가능하게 설치되며, 일단과 타단이 각각 상기 제1이동판 및 제2이동판에 결합되는 피스톤을 더 구비하며, 상기 제1스프링 및 제2스프링은 상기 피스톤의 일측과 타측에 각각 끼워져 설치되며, 상기 실린더의 작동에 의하여 상기 제1이동판이 상기 본체에 접근 및 이격될 때, 상기 제2이동판은 상기 제1이동판과 반대로 상기 본체에 이격 및 접근되는 것이 더욱 바람직하다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 제1타격체와 제2타격체의 각 단부에 각각 결합되는 제1후크 및 제2후크와, 상기 제1후크 및 제2후크에 걸림 및 걸림해제 가능하도록 상기 제1이동판 및 제2이동판의 단부에 각각 설치되는 제1걸쇠 및 제2걸쇠를 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 탄성파 탐사용 횡파 발생장치는 상향 타격과 하향 타격을 동일한 힘으로 수행하여 상향 타격과 하향 타격에 의해서 발생되는 횡파들이 유사한 범위에서 진폭과 진동수 등을 가지게 함으로써, 대비되는 두 횡파를 이용하여 횡파의 도달시간을 용이하게 측정할 수 있고, 이를 통해 횡파의 매질 내 전달속도를 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 탄성파 탐사용 횡파 발생장치는 갱도의 형성방향이 수직한 경우는 물론 수평한 경우에도 용이하게 적용할 수 있다는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄성파 탐사용 횡파 발생장치에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄성파 탐사용 횡파 발생장치의 개략적 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 탄성파 탐사용 횡파 발생장치의 개략적 분리사시도이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선 개략적 단면도이며, 도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ선 개략적 단면도이며, 도 11은 업홀 탐사법에서 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성파 탐사용 횡파 발생장치가 설치된 상태를 보여주는 도면이다.

본 발명에 따른 탄성파 탐사용 횡파발생장치는 암반 및 지반조사에 사용되는 것으로서, 업홀 탐사법, 다운홀 탐사법 및 크로스홀 탐사법 등에 모두 적용될 수 있으며, 횡파를 주요 탄성파로 사용하는 탐사법은 물론 종파와 횡파를 함께 이용하는 탐사법에 대해서도 사용할 수 있다.

도 1 내지 도 4 및 도 11을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄성파 탐사용 횡파발생장치(100)는 본체(10), 고정체(20), 제1타격체(30) 및 제2타격체(40)를 구비한다.

본체(10)는 원통형으로 형성되어 조사대상이 되는 지반에 형성된 시추공(h)에 삽입된다. 일반적으로 탄성파 탐사에 사용되는 시추공의 직경은 75mm 정도로 이루어지므로, 본 실시예에서 본체(10)의 직경은 대략 50mm 내외로 제조된다. 또 한 본체(10)는 후술할 제1타격체(30) 및 제2타격체(40)에 의하여 그 상면 및 하면이 타격되는 바, 강성이 강한 금속 소재로 이루어진다.

한편, 본체(10)는 반경방향을 따라 두 부분으로 나누어져, 일부에는 후술할 고정체(20) 및 고정체(20)를 구동시키기 위한 장착실린더(21)가 장착되며, 다른 일부는 그 자체가 후술할 타격실린더로 기능하는 부분으로서 유체가 충전되는 공간부(11)가 형성되어 있다.

또한 본체(10)의 상부에는 금속 소재의 4개의 상부 가드프레임(12,13,14,15)이 형성된다. 상부 가드프레임들(12~15)은 수직하게 배치되어 후술할 제1이동판(54)의 이동을 가이드하는 기능을 수행하면서, 파이프 형상으로 이루어져 유체의 이송통로로도 기능한다. 즉, 가드프레임들(12~15)중 2개(12,13)는 후술할 장착실린더(21)를 구동시키기 위한 유압라인(112,113)과 연결되며, 나머지 2개(14,15)는 후술할 타격실린더를 구동시키기 위한 유압라인(114,115)과 연결된다. 유압라인(112~115)들은 시추공(h) 외부의 유압장치와 연결되어 유체를 유출입 시킨다.

그리고 본체(10)의 하부에도 상부 가드프레임(12~15)과 마찬가지로 하부 가드프레임(16,17,18,19)이 형성된다. 하부 가드프레임(16~18)들은 후술할 제2이동판(55)의 직진 왕복이동을 가이드하는 작용만을 수행하며, 상부 가드프레임과 같이 유체의 이송통로로 기능하지는 않는다.

고정체(20)는 본체(10)를 시추공벽(w)에 고정시키기 위한 것으로서 본체(10)에 설치된다. 고정체(20)는 일정 두께의 판 형상으로 본체(10)의 길이방향을 따라 길게 형성되며, 시추공벽(w)과 접촉되는 외측면에는 시추공벽(w)과의 마찰을 높이 기 위하여 표면에 울퉁불퉁한 요철부(21)가 형성되어 있다.

고정체(20)는 본체(10)에 삽입되는 기본위치와 본체(10)로부터 돌출되어 시추공벽(w)에 접근 및 밀착되는 고정위치 사이에서 본체(10)의 반경방향을 따라 이동가능하다.

고정체(20)를 이동시키기 위하여, 본체(10)의 내측 일부에는 3개의 장착실린더(22,23,24)가 설치된다. 장착실린더(22~24)들은 본체(10)의 길이방향을 따라 서로 이격되게 배치되며, 각 장착실린더(22~24)에 대하여 왕복운동하는 각 피스톤(22a,23a,24a)은 고정체(20)의 배면에 나사에 의하여 결합되어 있다.

참조번호 112로 표시된 유압라인(112) 및 가드프레임(12)을 통해 유입된 유체는 본체(10) 내부에서 분기되어 각 장착실린더(22~24)의 유입포트(미도시)로 연결되며, 참조번호 113으로 표시된 유압라인(113)은 분기되어 각 장착실린더(22~24)의 배출포트(미도시)로 연결된다. 장착실린더(22~24)들에 유압이 인가 및 해제됨에 따라 피스톤(22a~24a)이 고정체(20)를 기본위치와 고정위치 사이에서 왕복이동시킨다. 도 11에 도시된 바와 같이, 고정위치에서는 고정체(20)와 본체(10)는 각각 시추공벽(w)의 일측과 타측에 각각 밀착됨으로써, 본체(10)가 시추공벽(w)에 고정된다. 미설명한 참조번호 25,26은 고정체(20)의 왕복이동을 가이드하는 가이드레일이다.

제1타격체(30) 및 제2타격체(40)는 본체(10)를 타격하여 그 응력이 시추공벽(w)에 전달됨으로써 탄성파를 발생시키기 위한 것이다. 타격방향이 시추공(h)의 반경방향이 아니라 시추공(h)의 길이방향으로 형성되므로, 타격에 의하여 발생되는 탄성파는 종파에 비하여 횡파가 우세하다. 즉, 종파는 파의 진행방향과 파의 진동방향이 동일하며, 횡파는 파의 진행방향과 진동방향이 수직하게 형성된다. 충격방향이 시추공(h)의 반경방향으로 형성된다면 종파가 우세하게 발생하겠지만, 본 실시예서와 같이 타격방향이 시추공(h)의 길이방향으로 형성되면 탄성파의 전파방향과 진동방향이 수직하게 형성되어 횡파가 우세하게 발생된다.

제1타격체(30)와 제2타격체는 각각 본체(10)의 상부와 하부에 배치되어 각각 제1방향과 제2방향을 따라 본체(10)를 타격한다. 여기서, 제1방향과 제2방향은 정반대의 방향으로서 본 실시예에서 제1타격체(30)는 수직 하방으로 본체(10)를 타격하며, 제2타격체(40)는 수직 상방으로 본체(10)를 타격한다. 이렇게 제1타격체(30)와 제2타격체(40)가 정반대의 방향으로 본체(10)를 타격하는 이유는 제1탁겨체(30)에 의해서 발생되는 제1횡파와 제2타격체(40)에 의하여 발생되는 제2횡파의 위상차를 정반대(180°)로 만들어 횡파의 도달시점을 정밀하게 측정하기 위한 것인데, 자세한 설명은 후술하기로 한다.

한편, 제1타격체(30)와 제2타격체(40)는 순차적으로 본체(10)를 타격하는데, 제1,2타격체(30)의 구동 메카니즘에 대하여 설명한다.

상기한 바와 같이, 본체(10)는 제1타격체(30)와 제2타격체(40)를 구동하기 위한 타격실린더로서 기능한다. 즉, 본체(10)의 내부에는 유체가 충전되는 공간부(11)가 형성되며, 분리막(51)은 공간부(11)에 배치되어 공간부(11)를 2개의 부분으로 분리한다. 다만, 분리막(51)은 유압의 인가 및 해제에 따라 공간부(11) 내에서 위치이동 가능하므로 상호 분리된 부분들의 체적은 변경된다. 공간부(11)의 각 단부에는 유체가 입출입되는 입출포트(미도시)가 형성되어 있으며, 유체의 이동통로로 작용하는 가드프레임(14,15)은 각각 입출포트(미도시)에 연결되어, 유압의 인가 및 해제에 따라 공간부(11)로 유체를 주입 및 배출시킨다.

즉, 분리막(51)의 일측으로 유체가 주입되면 분리막(51)은 타측으로 이동되고, 역으로 분리막(51)의 타측으로 유체가 주입되면 분리막(51)은 일측으로 이동되도록 구성된다.

분리막(51)의 양측에는 각각 한 쌍의 제1피스톤(52)과 제2피스톤(53)이 결합된다. 제1,2피스톤(52,53)은 분리막(51)에 고정되어 있으므로, 분리막(51)의 이동시 수직한 방향을 따라 함께 왕복이동된다.

또한 제1피스톤(52)의 단부에는 제1이동판(54)이 결합되며, 제2피스톤(53)의 단부에는 제2이동판(55)이 결합되어, 제1피스톤(52)과 제2피스톤(53)의 이동시 함께 수직한 방향을 따라 왕복이동된다.

한편, 제1타격체(30)는 제1피스톤(52)에 끼워져 제1이동판(54)과 본체(10)의 상부 사이에서 수직한 방향을 따라 이동가능하며, 제2타격체(40)는 제2피스톤(53)에 끼워져 제2이동판(55)과 본체(10)의 하부 사이에서 수직한 방향을 따라 이동가능하다.

또한, 제1타격체(30)와 제2타격체(40)의 각 단부에는 고리형으로 형성된 제1후크(56)와 제2후크(57)가 마련된다. 그리고, 도 5를 참조하면, 제1이동판(54)과 제2이동판(55)에는 각각 제1후크(56)와 제2후크(57)에 걸림 및 걸림해제 가능하도록 고리형으로 형성된 제1걸쇠(58,59)가 마련된다. 특히, 제1걸쇠(58) 및 제2걸 쇠(59)는 각 회동포인트(a,b)를 중심으로 회전가능하게 설치된다.

제1타격체(30)와 제1이동판(54) 사이 및 제2타격체(40)와 제2이동판(55) 사이에는 각각 한 쌍의 제1스프링(35) 및 한 쌍의 제2스프링(45)이 설치된다. 한 쌍의 제1스프링(35)과 한 쌍의 제2스프링(45)은 각각 제1피스톤(52) 및 제2피스톤(53)에 끼워진다. 타격실린더에 유압이 인가되어 제1이동판(54)과 제1타격체(30) 또는 제2이동판(55)과 제2타격체(40)가 상호 접근하면 제1스프링(35) 또는 제2스프링(45)이 압축되며, 압축된 제1스프링(35)과 제2스프링(45)은 각각 제1타격체(30)와 제2타격체(40)를 본체(10)쪽으로 탄성바이어스 한다. 제1스프링(35)과 제2스프링(45)은 동일한 길이를 가지고 스프링상수도 동일하므로, 제1스프링(35)과 제2스프링(45)이 최대 압축된 상태에서 각각 제1타격체(30)와 제2타격체(40)를 탄성가압하는 힘은 동일하다.

한편, 제1이동판(54)의 상부와 제2이동판(55)의 하부에는 각각 제1누름판(62)과 제2누름판(63)이 배치된다. 제1누름판(62)은 상부 가드프레임(12~15)에 끼워져 고정되며, 제2누름판(63)은 하부 가드프레임(16~19)에 끼워져 고정된다. 제1누름판(62)의 하면 및 제2누름판(63)의 상면에는 각각 제1돌출부(64) 및 제2돌출부(65)가 형성되어 있다. 이에 제1이동판(54)이 제1누름판(62)에 접근되면 제1이동판(54)에 회전가능하게 설치된 제1걸쇠(58)의 단부가 제1돌출부(64)에 접촉되어 제1걸쇠(58)는 회전되며, 마찬가지로 제2이동판(55)이 제2누름판(63)에 접근되면, 제2이동판(55)에 회전가능하게 설치된 제2걸쇠(59)의 단부가 제2돌출부(65)에 접촉되어 제2걸쇠(59)도 회전된다.

제1걸쇠(58)와 제2걸쇠(59)의 내부에는 스프링(미도시)이 설치되어 제1걸쇠(58)와 제2걸쇠(59)가 도 5에 도시된 바와 같은 수직한 자세를 유지하도록 탄성가압한다.

이하, 도 5 내지 도 10을 참고하여, 상기한 구성으로 이루어진 탄성파 탐사용 횡파 발생장치(100)의 작동에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

우선 상기한 구성의 탄성파 탐사용 횡파 발생장치(100)를, 도 11에 도시된 바와 같이, 수직하게 형성된 시추공(h)에 설치한다. 즉, 유압라인(112~115)에 매달려 있는 본체(10)를 일정 깊이로 시추공(h)에 삽입시킨 후, 장착실린더(22,23,24)를 작동시켜 피스톤(23a,24a,25a)들이 돌출되도록 한다. 고정체(20)와 본체(10)는 장착실린더(22,23,24)의 작동에 각각 시추공벽(w)에 밀착되어 도 11과 같이 시추공벽(w)에 고정된다. 고정체(20)의 외측면에 형성된 요철부(21)는 시추공벽(w)과의 마찰을 높여 본체(10)가 시추공벽(w)에 견고하게 밀착시킨다.

상기한 상태에서 타격실린더의 분리막(51)은 도 5에 도시된 바와 같이 타격실린더의 정 중앙에 배치되어 있고, 제1,2스프링(35,45)도 완전히 신장된 상태를 유지하고 있다.

타격실린더의 분리막(51) 상부에 유압을 인가하면 분리막(51)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 하측으로 이동되고 제1피스톤(52)과 제2피스톤(53)은 분리막(51)에 연동되어 수직하방으로 이동한다. 제1이동판(54)이 하부로 당겨짐에 따라 제1스프링(35)은 제1타격체(30)의 상면과 제1이동판(54) 하면 사이에서 압축된다. 그러나, 제2스프링(45)은 제2타격체(40)의 자중에 의해서만 눌릴 뿐 타격실린더에 의 하여 압축되지는 않는다.

또한 제1이동판(54)이 하부로 접근하면 제1이동판(54)의 제1걸쇠(58)와 제1타격체(30)의 제1후크(56)가 서로 접촉되고, 제1걸쇠(58)는 회전되면서 도 6에 나타난 바와 같이 제1걸쇠(58)와 제1후크(56)는 상호 걸리게 된다.

도 6과 같은 상태에서, 타격실린더의 분리막(51) 하부에 유압을 인가하면 분리막(51)은 도 7과 같이 상부로 이동하게 되며, 제1걸쇠(58)와 제1후크(56)가 걸려 있으므로 제1타격체(30)도 제1피스톤(52) 상에서 함께 상부로 이동하게 된다. 상기한 바와 같이, 제1걸쇠(58)의 내부에는 스프링(미도시)이 설치되어 제1걸쇠(58)가 제1후크(56)와 연결을 유지하는 방향으로 탄성가압하고 있으므로, 고리 연결이 해제되는 방향으로 회전되는 것을 방지하는 바 고리 연결이 견고하게 유지될 수 있다. 제1타격체(30)와 제1이동판(54) 사이의 간격이 그대로 유지되는 바, 압축되어 있는 제1스프링(35)은 압축된 상태를 그대로 유지하게 된다.

그러나, 제1이동판(54)이 계속 상승하여 제1누름판(62)까지 이동하면, 제1걸쇠(58)의 단부가 제1누름판(62)의 제1돌출부(64)에 접촉되어 회전됨으로써, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1걸쇠(58)와 제1후크(56) 사이의 고리 연결이 풀어지게 된다. 또한 도 7의 상태에서는 제2이동판(55)이 상부로 당겨지면서 제2스프링(45)은 압축되고, 제2걸쇠(59)와 제2후크(57)는 상호 고리 연결되며, 제2걸쇠(59)의 내부에 설치된 스프링(미도시)은 고리 연결이 해제되는 방향으로 제2걸쇠(59)가 회전되는 것을 방지하여 고리 연결이 견고하게 유지될 수 있다.

도 7과 같이 고리 연결이 해제되면 제1타격체(30)를 수직하방으로 탄성가압 하고 있던 제1스프링(35)은 제1타격체(30)를 하측으로 밀어내게 되고, 제1타격체(30)는 도 8에 도시된 바와 같이 본체(10)의 상면을 타격하게 된다. 제1타격체(30)에 의하여 타격된 본체(10)는 시추공벽(w)과의 마찰되면, 이를 통해 횡파가 발생되고 횡파는 지반을 통해 전달된다.

한편, 제1타격체(30)가 본체(10)를 타격할 때에는 제1,2피스톤(52,53)들의 위치 이동이 없는 바, 제2타격체(40)와 제2스프링(45)은 도 7의 상태를 그대로 유지하고 있다.

도 8의 상태와 같이 제1타격체(30)에 의한 하향 타격이 종료되면, 타격실린더를 다시 작동하여 분리막(51)을 도 9와 같이 하부로 이동시킨다. 제2이동판(55)은 제2누름판(63)까지 이동하게 되고, 제2이동판(55)의 제2걸쇠(59)는 제2누름판(63)의 제2돌출부(65)에 눌려 회전됨으로써, 제2걸쇠(59)와 제2후크(57) 사이의 걸림은 해제된다. 이 때, 제1타격체(30)의 제1후크(56)와 제1걸쇠(58)는 다시 고리연결된다.

한편, 도 9와 같이 제2후크(57)와 제2걸쇠(59)의 걸림이 해제되는 순간 압축되어 있던 제2스프링(45)은 제2타격체(40)를 상방으로 밀어냄으로써 제2타격체(40)는 도 10에 도시된 바와 같이 본체(10)의 하면을 타격하게 된다. 제2타격체(40)에 의하여 타격된 본체(10)는 고정체(20)와 함께 시추공벽(w)을 진동시킴으로써 횡파를 발생시킨다.

제2타격체(40)에 의한 타격은 제1타격체(30)의 타격방향과 정반대 방향으로 이루어진 바, 제1타격체(30)에 의해서 발생한 횡파와 제2타격체(40)에 의하여 발생 된 횡파는 180°의 위상차를 가지게 된다. 그러나, 제1스프링(35)의 압축력과 제2스프링(45)의 압축력은 완전히 동일한 바, 제1타격체(30)와 제2타격체(40)에 의하여 발생된 횡파는 진폭, 진동수 등 물리적 크기에 있어서는 완전히 동일하며 위상만이 정반대로 형성된다.

도 12는 도 11에 설치된 탄성파 탐사용 횡파 발생장치를 통해 실제로 취득한 탄성파 수신신호를 보여주는 그래프이다. 본 실시예에 따른 탄성파 탐사용 횡파 발생장치(100)에서는 횡파가 우세하게 발생되지만 종파도 일부 발생하게 된다. 수신기에서는 속도가 빠른 종파가 먼저 수신되고, 이후에 횡파가 수신된다.

횡파는 종파 이후에 나타나는 지층의 불균질체에 의한 반사파, 회정파 및 P-S변환파들에 의해 가려지기 때문에 도달시간의 판독이 매우 어렵다. 수신기에서는 순차적으로 들어오는 신호들을 각각 수신하고, 수신된 신호들이 위상만 반대이고 진폭과 진동수 등이 일치하거나 유사하다면 수신한 두 개의 신호를 중첩시킴으로써 위상차 발생지점을 피킹할 수 있으며, 이를 통해 횡파의 도달시점을 명확하게 판별할 수 있다.

본 발명에서는 동일한 스프링상수를 가지고 있는 제1스프링(35)과 제2스프링(45)이 동일한 힘으로 제1타격체(30)와 제2타격체(40)를 본체(10)쪽으로 밀어내므로 제1타격체(30)와 제2타격체(40)에 의해서 발생되는 횡파의 진폭, 진동수 등은 동일하다. 하지만, 도 12에서 보는 바와 같이, 제1타격체(30)와 제2타격체(40)에 의해 발생된 횡파가 서로 동일하다고 하는 것은, 횡파들이 동일한 진폭, 진동수 등을 가져서 서로 완전히 대칭되는 것을 의미하는 것은 아니며, 대비되는 두 횡파가 상호 유사한 진폭과 진동수를 가지고 있으면서 위상이 반대되는 경우도 포함한다.

예컨대, 동일한 제1스프링(35)과 제2스프링(45)이 동일한 스프링상수를 가지고 있는 경우라도, 시추공(h)이 수직하게 형성된 경우 상향 타격을 하는 제2스프링(45)은 제2타격체(40)의 자중을 받치는 힘이 소모되는 바, 엄밀하게 말하면 하향타격을 하는 제1스프링(35)에 비하여 제2타격체(40)를 밀어내는 힘이 작을 수 밖에 없으므로, 발생되는 횡파들의 프로파일도 약간 다르게 될 수 있다. 그러나, 대비되는 횡파들 사이에서 약간의 차이는 당 기술분야의 당업자가 충분히 인식할 수 있다. 중요한 것은 유사한 정도의 에너지와 프로파일을 가졌으며 위상이 정반대인 두 개의 횡파가 시간차이를 두고 수신되면, 이들을 통해 횡파가 매질을 전파한 속도를 정확하게 측정할 수 있다는 것이다.

종래에는 위상차가 정반대인 횡파를 발생시키기 위하여, 작업자가 직접 타격체를 자유낙하시켜 하향 타격을 실시하고, 타격체를 줄에 매달어 당김으로써 상향 타격을 실시함으로써 상향 타격과 하향 타격의 에너지크기 정밀도 등이 전혀 담보되지 못하였다. 또한, 타격체를 줄에 매달아 사용하므로 줄과 시추공벽(w)이 마찰되어 신호대 잡음비가 매우 떨어졌다. 이에 따라, 상향 타격과 하향 타격을 시간차이를 두고 실시하여도 이들에 의하여 발생된 횡파를 정확하게 발췌할 수 없으므로, 횡파의 전파속도를 정밀하게 측정할 수 없었다.

그러나, 본 발명에서는 상향타격과 하향타격을 수행하는 과정이 실린더와, 스프링 등의 기계적 수단에 의하여 이루어지고, 이러한 기계적 수단들은 타격에너지 등을 정확하게 제어할 수 있으므로 상향타격과 하향타격에 의해 발생되는 횡파 의 에너지, 진동수 등을 일정 범위 내에서 일치시킬 수 있게 되었으며, 이를 통해 횡파의 전달속도를 용이하고 정밀하게 측정할 수 있게 되었다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄성파 탐사용 횡파 발생장치의 개략적 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 탄성파 탐사용 횡파 발생장치의 개략적 분리사시도이다.

도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선 개략적 단면도이다.

도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ선 개략적 단면도이다.

도 5 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성파 탐사용 횡파 발생장치의 일련의 동작과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 11은 업홀 탐사법에서 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성파 탐사용 횡파 발생장치가 설치된 상태를 보여주는 도면이다.

도 12는 도 11에 설치된 탄성파 탐사용 횡파 발생장치를 통해 취득한 탄성파 수신신호를 보여주는 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 ... 탄성파 탐사용 횡파 발생장치 10 ... 본체

20 ... 고정체 22,23,24 ... 장착실린더

30 ... 제1타격체 35 ... 제1스프링

40 ... 제2타격체 45 ... 제2스프링

51 ... 분리막 52 ... 제1피스톤

53 ... 제2피스톤 54 ... 제1이동판

55 ... 제2이동판 62 ... 제1누름판

63 ... 제2누름판 h ... 시추공

w ... 시추공벽

Claims

지반에 형성된 탐사용 시추공에 삽입되는 본체;

상기 시추공벽에 접근 및 이격되는 방향을 따라 이동가능하게 상기 본체에 설치되어 상기 시추공벽에 밀착됨으로써 상기 본체를 상기 시추공벽에 고정시키는 고정체;

상기 본체를 제1방향으로 타격하여 진동을 발생시키는 제1타격체;

상기 본체를 상기 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 타격하여 진동을 발생시키는 제2타격체;를 구비하여,

상기 제1타격체와 제2타격체는 순차적으로 상기 본체를 타격하여 횡파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 횡파 발생장치.
제1항에 있어서,

상기 제1방향을 따라 상기 제1타격체에 대하여 접근 및 이격가능하게 설치되는 제1이동판;

상기 제1타격체와 제1이동판 사이에 배치되며 상기 제1타격체와 제1이동판이 상호 접근시 압축되어 상기 제1타격체를 상기 제1방향으로 탄성바이어스 하는 제1스프링;

상기 제2방향을 따라 상기 제2타격체에 대하여 접근 및 이격가능하게 설치되는 제2이동판; 및

상기 제2타격체와 제2이동판 사이에 배치되며 상기 제2타격체와 제2이동판이 상호 접근시 압축되어 상기 제2타격체를 상기 제2방향으로 탄성바이어스 하는 제2스프링;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 횡파 발생장치.
제2항에 있어서,

상기 제1스프링과 제2스프링은 스프링상수가 동일하여, 상기 제1스프링과 제2스프링이 압축된 후 상기 제1타격체 및 제2타격체에 가하는 힘은 동일한 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 횡파 발생장치.
제2항에 있어서,

상기 제1타격체와 제2타격체 사이에 배치되는 실린더와,

상기 실린더에 왕복이동 가능하게 설치되며, 일단과 타단이 각각 상기 제1이동판 및 제2이동판에 결합되는 피스톤을 더 구비하며,

상기 제1스프링 및 제2스프링은 상기 피스톤의 일측과 타측에 각각 끼워져 설치되며,

상기 실린더의 작동에 의하여 상기 제1이동판이 상기 본체에 접근 및 이격될 때, 상기 제2이동판은 상기 제1이동판과 반대로 상기 본체에 이격 및 접근되는 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 횡파 발생장치.
제4항에 있어서,

상기 제1타격체와 제2타격체의 각 단부에 각각 결합되는 제1후크 및 제2후크와,

상기 제1후크 및 제2후크에 걸림 및 걸림해제 가능하도록 상기 제1이동판 및 제2이동판의 단부에 각각 설치되는 제1걸쇠 및 제2걸쇠를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 횡파 발생장치.
제5항에 있어서,

상기 제1이동판 및 제2이동판의 후방에는 각각 제1누름판과 제2누름판이 고정되게 설치되며,

상기 제1걸쇠 및 제2걸쇠는 각각 제1이동판 및 제2이동판에 회전가능하게 설치되어, 상기 제1이동판 및 제2이동판이 상기 제1누름판 및 제2누름판으로 접근시 상기 제1걸쇠 및 제2걸쇠는 상기 제1누름판 및 제2누름판에 눌려 회전됨으로써 걸림이 해제되는 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 횡파 발생장치.
제5항에 있어서,

상기 제1이동판이 상기 제1타격체로 접근되어 상기 제1후크와 제1걸쇠가 상호 걸려서 상기 제1이동판과 제1타격체가 연결된 상태에서, 상기 제1이동판과 제1타격체가 상기 본체로부터 이격되는 방향으로 이동시 상기 제2이동판이 상기 제2타격체로 접근되어 상기 제2후크와 제2걸쇠가 상호 걸려서 연결되는 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 횡파 발생장치.
제4항에 있어서,

상기 제1타격체와 제2타격체는 각각 상기 제1피스톤 및 제2피스톤에 끼워져 직선 왕복이동되는 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 횡파 발생장치.
제1항에 있어서,

상기 본체는 원통형으로 형성되며,

상기 고정체는 판 형상으로 상기 본체의 반경방향을 따라 이동되어 상기 본체에 삽입 및 돌출되며, 외측면에는 요철부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 탐사용 횡파 발생장치.