KR20130059996A - 암석 변형 관찰용 시료 챔버 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 암석 변형 관찰용 시료 챔버에 관한 것이다.
본 발명에 따른 암석 변형 관찰용 시료 챔버는, 암석 시료를 수용할 수 있도록 내부에 수용부가 형성되어 있는 본체, 수용부의 상면에 결합되어 수용부를 폐쇄시키는 덮개판, 수용부에 지지된 암석 시료와 접촉되어 암석 시료를 수평한 방향을 따라 가압하기 위한 가압바, 암석 시료를 사이에 두고 가압바의 반대편에 고정되게 배치되어 가압바에 의해 가압된 암석 시료를 지지하며 가압바에 가해진 압력을 측정하는 로드셀 및 가압바의 이동방향을 따라 왕복이동되게 본체에 설치되며, 가압바에 접촉되어 가압바가 암석 시료로부터 멀어지는 방향으로 이동되는 것을 제한하는 스토퍼를 구비하는 것에 특징이 있다.

Description

암석 변형 관찰용 시료 챔버{Apparatus for observing rock deformation}
본 발명은 암석의 물성을 관찰하기 위한 실험장치로서, 특히 지하의 고압 환경에서의 암석이 온도, 압력, pH의 조건에 따라 변형되는 거동을 관찰할 수 있는 암석 변형 관찰용 시료 챔버에 관한 것이다.
고준위 방사성 폐기물의 처분시설이나 이산화탄소의 지중 저장시설은 주로 지하의 심부에 위치하는 것이 일반적이다. 이렇게 지중 시설물을 설치할 때에는 시설물이 설치될 지역의 암석의 상태에 대한 고려와 함께, 이 암석들이 장기간에 걸쳐 변화되는 거동을 고려해야 한다.
암석의 변형은 광물과 광물 입자 사이의 변형, 암석 내에 마이크로 크랙의 발생 및 성장, 암석 표면의 변화 등 다양한 요소를 포함한다. 그리고 이러한 변화들은 매우 미세하게 진행되기 때문에 육안으로의 관찰은 곤란하며, 현미경을 통하여 관찰하여야 한다.
한편 상기한 바와 같은 암석의 변화는 기본적으로 지하에서의 압력조건, 온도조건 및 pH 조건이 큰 영향을 미친다. 이에 암석의 변형 거동을 정밀하게 파악하기 위해서는 지하의 환경을 다양하게 재현하여 각각의 조건에서 암석의 변화를 관찰하여야 한다.
그러나 종래에는 암석의 변형을 관찰하기 위한 시료 챔버는 압력에 대한 조건만을 고려하고 있을 뿐 온도나 pH에 대해서는 다양한 환경을 부여할 수 없게 되어 있다는 문제점이 있었다.
또한 종래의 시료 챔버는 시료에 일정한 압력을 지속적으로 부여하면서 암석 시료의 변위를 측정하거나, 또는 일단 압력을 인가한 후 암석의 변위를 구속하고 압력 인가를 해제한 후 암석의 압력변화를 측정하였다.
위 2개의 실험은 각각 개별적인 장치에 의해서만 수행되며 하나의 장치에서 모두 수행할 수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 지하의 다양한 압력, 온도 및 pH 조건에 따른 암석의 변형 거동을 정밀하게 파악할 수 있도록 구조가 개선된 암석 변형 관찰용 시료 챔버를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 암석 변형 관찰용 시료 챔버는,암석 시료를 수용할 수 있도록 내부에 수용부가 형성되어 있는 본체; 상기 수용부의 상면에 결합되어 상기 수용부를 폐쇄시키는 덮개판; 상기 수용부에 지지된 상기 암석 시료와 접촉되어 상기 암석 시료를 수평한 방향을 따라 가압하기 위한 가압바; 상기 암석 시료를 사이에 두고 상기 가압바의 반대편에 고정되게 배치되어 상기 가압바에 의해 가압된 암석 시료를 지지하며 상기 가압바에 가해진 압력을 측정하는 로드셀; 및 상기 가압바의 이동방향을 따라 왕복이동되게 상기 본체에 설치되며, 상기 가압바에 접촉되어 상기 가압바가 상기 암석 시료로부터 멀어지는 방향으로 이동되는 것을 제한하는 스토퍼;를 구비하는 것에 특징이 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 스토퍼는 서로 이격되어 한 쌍 마련되며, 상기 가압바의 이동방향을 따라 길게 배치되며 선단부가 상기 암석 시료와 접촉되는 몸체부와, 상기 몸체부의 후단부로부터 양측으로 수평하게 연장형성되어 상기 한 쌍의 스토퍼와 접촉되는 머리부를 구비한다. 그리고, 상기 가압바가 이탈되는 것을 방지하도록 상기 가압바의 상부에 설치되는 고정용 덮개를 더 구비한다.
그리고 상기 스토퍼는 상기 본체에 나사결합되며, 일방향으로 회전시 상기 가압바쪽으로 이동되며 타방향으로 회전시 상기 가압바로부터 멀어지는 방향으로 이동되는 볼트이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 로드셀과 가압바의 사이에는 상기 암석 시료를 정해진 높이에서 지지하기 위한 높이조절 지지대가 설치되며, 상기 가압바가 상기 암석 시료를 가압할 수 있도록 상기 높이조절 지지대의 길이는 상기 암석 시료의 길이보다 짧다.
한편, 본 발명에서 상기 덮개판은 상기 암석 시료를 현미경으로 관찰할 수 있도록 투명한 소재로 이루어진다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 본체에는 상기 수용부로 유체가 유입될 수 있는 주입구와, 상기 유입구로 유입된 유체가 배출될 수 있는 배출구가 형성된다. 또한 상기 유체는 산 용액과 염기성 용액을 이용하여 pH를 조절한 상태로 일정한 온도를 유지하면서 상기 주입구와 배출구를 통해 순환된다.
한편, 본 발명에서, 상기 가압바에는 고정되어 상기 가압바와 함께 이동되는 기준판과, 상기 기준판의 변위를 측정하도록 상기 본체에 고정되게 설치되는 변위센서를 더 구비한다.
본 발명에 따른 암석 변형 관찰용 시료 챔버는 압력고정실험(creek 실험)과 변위고정실험(relaxation 실험)을 모두 수행할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명에서는 압력 조건은 물론 온도 조건과 pH 조건을 자유롭게 조절하여 지하의 다양한 환경을 그대로 재현할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암석 변형 관찰용 시료 챔버를 포함하는 시스템의 개략적 모식도이다.
도 2는 도 1에 도시된 암석 변형 관찰용 시료 챔버의 개략적 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 암석 변형 관찰용 시료 챔버를 설명하기 위한 개략적 도면이다.
도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 암석 변형 관찰용 시료 챔버의 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 암석 변형 관찰용 시료 챔버에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암석 변형 관찰용 시료 챔버를 포함하는 시스템의 개략적 모식도이며, 도 2는 도 1에 도시된 암석 변형 관찰용 시료 챔버의 개략적 평면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 암석 변형 관찰용 시료 챔버를 설명하기 위한 개략적 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 암석 변형 관찰용 시료 챔버(100, 이하 '시료 챔버'라고 한다)는 본체(10), 덮개판(20), 가압바(30), 로드셀(40) 및 스토퍼(50)를 구비한다.
본 시료 챔버(100)를 이용한 실험에서 관찰의 대상이 되는 암석 시료(s)는 다양한 크기가 사용되는데, 본 실시예에서는 길이 40 mm, 폭 20 mm의 크기로 준비된다.
본체(10)는 암석 시료(s)를 수용하여 암석 시료(s)의 변형에 관한 실험을 수행하기 공간을 제공한다.
본 실시예에서 본체(10)에는 오목하게 수용부(15)가 형성된다. 이 수용부(15)의 바닥에는 높이조절 지지대(18)가 설치된다. 높이조절 지지대(18)는 후술할 가압바(30)가 암석 시료(s)에 압력을 정확하게 전달할 수 있도록 암석 시료(s) 의 배치 높이를 가압바(30)의 배치 높이에 맞추기 위한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 암석 시료(s)의 두께가 가압바(30)와 비슷하지 않은 경우 높이조절 지지대(18)가 암석 시료(s)를 받쳐서 가압바(30)가 암석 시료(s)에 압력을 정확하게 전달할 수 있게 한다. 다만, 도 3에는 높이조절 지지대(18)의 길이가 암석 시료(s)와 동일한 것으로 과장되게 도시되었으나, 높이조절 지지대(18)의 길이는 암석 시료(s)에 비하여 짧게 형성되어 가압바(30)가 높이조절 지지대(18)를 가압하지 않고 암석 시료(s)만을 가압하도록 구성된다.
한편, 본체(10)에는 수용부(15)의 조건을 지하의 다양한 환경, 구체적으로는 온도와 pH에 대한 다양한 조건을 재현할 수 있게 유체를 순환시키도록 이루어진다. 즉, 본체(10)의 측면에는 유체가 유입될 수 있는 주입구(11)와, 유체가 배출될 수 있는 배출구(12)가 형성된다. 유체는 주입구(11)를 통해 수용부(15)로 유입되며 배출구(12)를 통해 배출된다. 주입구(11)와 배출구(12)는 각각 연결라인을 통해 항온유지수조와 하나의 순환 경로를 형성하며. 펌프 등 순환수단(미도시)을 통해 유체는 계속적으로 순환될 수 있다.
본 발명에서는 유체의 온도와 pH를 조절함으로써 수용부(15) 내의 온도와 pH를 조절한다. 산이나 염기용액을 이용하여 유체의 pH를 조절한 후, 유체를 순환시키면서 유체의 온도가 일정하게 유지되도록 한다. 유체를 통해 지하에서의 다양한 환경을 재현할 수 있으며, 이렇게 다양한 조건에서 암석 시료(s)의 변형 거동을 관찰할 수 있다.
그리고 수용부(15)의 상측에는 덮개판(20)이 설치된다. 덮개판(20)은 수용부(15) 내부의 유체가 상부로 유출되지 못하도록 수용부(15)를 폐쇄시킨다. 그리고 덮개판(20)은 아크릴과 같은 투명한 재질로 만들어진다. 후술하겠지만 암석 시료(s)의 변형 거동은 매우 미세하게 일어나기 때문에 육안으로는 관찰이 불가능하며, 현미경을 사용하여야 한다. 이에 덮개판(20)을 투명하게 제작하여 암석 시료(s)의 변형을 현미경으로 관찰할 수 있다.
한편, 가압바(30)는 암석 시료(s)에 압력을 가하기 위한 것으로서 암석 시료(s)의 일측에 배치되어 암석 시료(s)에 접근하는 방향 및 이격되는 방향으로 수평 왕복이동 가능하게 본체(10)에 설치된다.
본 실시예에서 가압바(30)는 몸체부(31)와 머리부(32)로 이루어진다. 몸체부(31)는 일자형으로 길게 형성되어 선단부가 암석 시료(s)에 접촉된다. 머리부(32)는 몸체부(31)의 후단부에서 몸체부(31)에 대하여 직교하는 방향으로 연장되게 형성된다. 이에 가압바(30)는 전체적으로 알파벳 'T'자 형상으로 이루어진다.
그리고 가압바(30)를 통해 암석 시료(s)에 압력을 전달하기 위한 가압 수단이 마련된다. 가압 수단은 다양할 수 있는데, 본 실시예에서는 펌프(미도시)가 사용된다. 일측은 펌프(미도시)와 연결되며 타측은 가압바(30)에 결합되어 있는 전달바(71)에 의하여 펌프는 가압바(30)와 암석 시료(s)에 압력을 인가한다. 물론 전달바(71)는 펌프의 작동에 따라 전진 또는 후진할 수 있다.
그리고 전달바(71)가 가압바(3)에 힘을 인가하는 경우 가압바(30)가 상방으로 휘어지거나 이탈될 수 있으므로, 본 실시예에서는 가압바(30)의 상부에 고정용 덮개(33)를 설치한다. 고정용 덮개(33)는 본체(10)에 고정되게 설치되며, 가압바(30)의 상방으로 약간 이격되게 배치되어 가압바(30)가 상부로 이탈되는 것을 방지한다.
한편, 가압바(30)를 통해 암석 시료(s)에 전달되는 압력의 크기를 측정하도록 로드셀(40)이 마련된다. 로드셀(40)은 암석 시료(s)를 사이에 두고 가압바(30)의 반대편에 배치된다. 즉, 가압바(30)에 의하여 암석 시료(s)가 가압되면 암석 시료(s)는 로드셀(40) 방향으로 밀리면서 로드셀(40)에 지지된다. 결국 암석 시료(s)에 가해진 압력을 로드셀(40)에서 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 시료 챔버(100)에서는 2가지의 실험을 수행할 수 있다. 하나는 정압실험(creep test)이며, 다른 하나는 압력완화실험(relaxation test)이다.
정압실험은 암석 시료(s)에 일정한 압력을 계속적으로 부여하면서, 즉 정압의 상태에서 암석 시료(s)의 변형 거동을 관찰하는 실험이다. 즉, 가압수단과 가압바(30)를 통해 암석 시료(s)에 압력을 일정하게 인가하면서, 암석 시료(s)이 변위를 측정한다.
암석 시료(s)의 변위를 측정하기 위해서 기준판(61)과 변위센서(62)가 마련된다. 기준판(61)은 수직하게 배치되어 가압바(30)에 고정되게 설치됨에 따라, 가압바(30)가 이동되면 함께 이동된다.
변위센서(62)는 본체(10)에 위치고정되게 설치되어, 가압바(30)와 함께 이동하는 기준판(61)의 변위를 측정한다. 본 실시예에서 변위센서(62)는 와전류식 센서가 사용된다. 가압바(30)가 암석 시료(s)에 접촉되어 압력을 가한 후 암석 시료(s)가 미세하게 압축되면서 가압바(30)가 이동하는 변위를 측정한다.
압력완화실험은 암석 시료(s)에 일단 압력을 가하여 암석 시료(s)가 압축력을 받게 한 후, 압력을 해제하면서 암석 시료(s)가 원상태로 복원되지 못하도록 변위를 제한하는 시험이다.
이 압력완화실험을 위해서는 압축된 암석 시료(s)가 다시 복원되지 않도록 변위를 제한해야 하는 바, 본 발명에서는 스토퍼(50)가 마련된다.
스토퍼(50)는 가압바(30)의 일측에 배치되어, 가압바(30)가 암석 시료(s)에 압력을 인가하는 방향을 따라 왕복이동되어 가압바(30)에 접근 및 이격될 수 있다. 본 실시예에서 스토퍼(50)는 볼트가 사용된다. 즉, 스토퍼(50, 볼트)는 본체(10)에 체결되어, 일방향으로 회전시 가압바(30)쪽으로 이동되며, 타방향으로 회전시 가압바(30)로부터 멀어진다. 본 실시예에서 스토퍼(50)는 가압바(30)의 머리부(32)에 상호 대칭되게 한 쌍 마련되어 암석 시료(s)로부터 가해지는 복원력이 어느 한 쪽으로 편중되지 않고 고르게 전달되도록 한다.
압력완화실험에서는 가압바(30)가 암석 시료(s)에 압력을 가한 상태에서 볼트(50)를 일방향으로 회전시켜 볼트(50)가 가압바(30)의 머리부(32)에 접촉되게 한 후 압력 인가를 해제한다.
압력이 해제되면 압축되었던 암석 시료(s)는 변형되면서 복원되려고 하지만 볼트(50)에 의하여 변위가 제한된다. 그리고 시간이 경과하면서 암석 시료(s)에 가해진 압축력이 저하되는데 로드셀(40)에서는 시간의 경과에 따라 암석 시료(s)의 압력이 저하되는 것을 측정할 수 있다.
정압실험과 압력완화실험에서 압력과 변위를 측정함과 동시에 현미경을 통해 암석 시료(s) 표면의 변화를 현미경으로 관찰한다. 도 4 및 도 5의 사진에 나타난 바와 같이, 본체(10)의 상부에는 현미경(도 5의 사진 참조)이 설치되어 암석 시료(s) 표면에서의 미세 크랙의 발생, 크랙의 확장 등 표면의 변화 상황을 정밀하게 관찰한다.
또한 정압실험과 압력완화실험에서는 관심의 대상이 되는 지하 영역의 온도와 pH를 사전에 조사하여, 유체의 온도와 pH를 동일하게 조절함으로써 암석 시료(s)의 변화 거동을 실제 지하의 환경과 동일한 환경 하에서 관찰할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 암석 변형 관찰용 시료 챔버는 정압실험과 압력완화실험을 모두 수행할 수 있으므로 범용성과 경제성에서 종래의 실험 장치에 비하여 우수하다는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 암석 변형 관찰용 시료 챔버는 수용부에 도입되는 유체의 온도와 pH를 조절함으로써 실제 지하 환경과 유사한 환경을 조성할 수 있어 암석의 변형 거동을 정확하게 파악할 수 있다는 이점이 있다.
한편, 본 발명에 따른 암석 변형 관찰용 시료 챔버(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 압력측정 데이터로거, 변위측정 데이터로거, 컴퓨터 등과 전기적으로 연결되어 로드셀(40) 및 변위센서(62)에 의하여 측정된 데이터를 저장하며, 펌프, 항온유지수조, 유체의 온도 등을 제어할 수 있다.
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.
100 ... 암석 변형 관찰용 시료 챔버 10 ... 본체
20 ... 덮개판 30 ... 가압바
40 ... 로드셀 50 ... 스토퍼(볼트)
61 ... 기준판 62 ... 변위센서

Claims (10)

  1. 암석 시료를 수용할 수 있도록 내부에 수용부가 형성되어 있는 본체;
    상기 수용부의 상면에 결합되어 상기 수용부를 폐쇄시키는 덮개판;
    상기 수용부에 지지된 상기 암석 시료와 접촉되어 상기 암석 시료를 수평한 방향을 따라 가압하기 위한 가압바;
    상기 암석 시료를 사이에 두고 상기 가압바의 반대편에 고정되게 배치되어 상기 가압바에 의해 가압된 암석 시료를 지지하며 상기 가압바에 가해진 압력을 측정하는 로드셀; 및
    상기 가압바의 이동방향을 따라 왕복이동되게 상기 본체에 설치되며, 상기 가압바에 접촉되어 상기 가압바가 상기 암석 시료로부터 멀어지는 방향으로 이동되는 것을 제한하는 스토퍼;를 구비하는 것을 특징으로 하는 암석 변형 관찰용 시료 챔버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스토퍼는 서로 이격되어 한 쌍 마련되며,
    상기 가압바의 이동방향을 따라 길게 배치되며 선단부가 상기 암석 시료와 접촉되는 몸체부와, 상기 몸체부의 후단부로부터 양측으로 수평하게 연장형성되어 상기 한 쌍의 스토퍼와 접촉되는 머리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 암석 변형 관찰용 시료 챔버.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가압바가 이탈되는 것을 방지하도록 상기 가압바의 상부에 설치되는 고정용 덮개를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 암석 변형 관찰용 시료 챔버.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스토퍼는 상기 본체에 나사결합되며, 일방향으로 회전시 상기 가압바쪽으로 이동되며 타방향으로 회전시 상기 가압바로부터 멀어지는 방향으로 이동되는 볼트인 것을 특징으로 하는 암석 변형 관찰용 시료챔버.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 로드셀과 가압바의 사이에는 상기 암석 시료를 정해진 높이에서 지지하기 위한 높이조절 지지대가 설치되며,
    상기 높이조절 지지대의 길이는 상기 암석 시료의 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 암석 변형 관찰용 시료 챔버.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 덮개판은 상기 암석 시료를 현미경으로 관찰할 수 있도록 투명한 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 암석 변형 관찰용 시료 챔버.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 본체에는 상기 수용부로 유체가 유입될 수 있는 주입구와, 상기 유입구로 유입된 유체가 배출될 수 있는 배출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 암석 변형 관찰용 시료 챔버.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유체는 일정한 온도를 유지하면서 상기 주입구와 배출구를 통해 순환되어 상기 암석 시료의 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 암석 변형 관찰용 시료 챔버.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    산 용액과 염기성 용액을 이용하여 pH를 조절한 상태로 상기 유체는 상기 주입구와 배출구를 통해 순환되는 것을 특징으로 하는 암석 변형 관찰용 시료 챔버.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가압바에는 고정되어 상기 가압바와 함께 이동되는 기준판과,
    상기 기준판의 변위를 측정하도록 상기 본체에 고정되게 설치되는 변위센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 암석 변형 관찰용 시료 챔버.
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