KR20180070873A - 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법 - Google Patents
고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 발파공 내에 물을 채운 상태에서 고전압 충격파를 인가하고 이를 통해 암반파쇄 및 암반균열을 유도함으로써 화약 사용을 배제함과 함께 소음 및 진동을 최소화할 수 있는 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법은 암반의 발파공에 물을 채운 상태에서, 암반 발파공 내의 물에 고전압을 인가하는 단계; 고전압 인가에 의해 고전압 충격파가 발생됨과 함께 강력한 압력파동이 생성되며, 압력파동에 의해 암반 발파공 내의 물이 팽창됨과 함께 팽창된 물에 의해 암반의 파쇄 및 균열전파가 발생되는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발파공 내에 물을 채운 상태에서 고전압 충격파를 인가하고 이를 통해 암반파쇄 및 암반균열을 유도함으로써 화약 사용을 배제함과 함께 소음 및 진동을 최소화할 수 있는 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법에 관한 것이다.
토목공사시 암반 굴착 작업, 자원개발시 석산 골재 채취 작업 및 석재 채취 작업에는 대소 용량의 폭약이 암반 굴착을 위해 주로 사용된다. 암반 굴착 작업은 암반에 미리 형성된 발파공에 폭약을 장약하고 이를 발파하는 형태로 진행된다. 이와 같은 폭약을 이용한 암반 굴착 작업은 파쇄된 암석과 유해가스 및 먼지 등이 폭풍압에 의해 배출됨과 함께 강력한 소음 및 충격진동을 수반하는 문제점이 있다.
한국등록특허 제164986호는 무진동, 무소음 암반발파기술을 제시하였으나, 화약 사용을 피할 수 없어 화약 폭발에 따른 소음 및 진동이 여전히 제거되지 못한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 발파공 내에 물을 채운 상태에서 고전압 충격파를 인가하고 이를 통해 암반파쇄 및 암반균열을 유도함으로써 화약 사용을 배제함과 함께 소음 및 진동을 최소화할 수 있는 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법은 암반의 발파공에 물을 채운 상태에서, 암반 발파공 내의 물에 고전압을 인가하는 단계; 고전압 인가에 의해 고전압 충격파가 발생됨과 함께 압력파동이 생성되며, 압력파동에 의해 암반 발파공 내의 물이 팽창됨과 함께 팽창된 물에 의해 암반의 파쇄 및 균열전파가 발생되는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 고전압은 고전압 인가장치에 의해 인가되며, 상기 고전압 인가장치는, 교류전원을 공급하는 전원공급부와, 상기 교류전원을 1∼1000kV의 고전압으로 변압하는 변압부와, 변압된 교류전원을 고전압 직류전원으로 정류하는 정류부와, 상기 고전압 직류전원을 축전하는 충전부와, 상기 충전부에 저장된 고전압 직류전원을 방전하는 인가전극을 포함하여 구성되며, 상기 인가전극은 물이 채워진 암반 발파공 내에 구비된다.
상기 전원공급부와 변압부 사이에 제 1 스위치가 구비되고, 상기 정류부와 충전부 사이에 제 2 스위치가 구비되고, 상기 충전부와 방전 전극 사이에 제 3 스위치가 구비되고, 상기 충전부와 접지(earth) 사이에 제 4 스위치가 구비된다.
충전 과정은, 제 1 스위치와 제 2 스위치가 온(on)되고, 제 3 스위치와 제 4 스위치가 오프(off)된 상태에서 진행되며, 상기 전원공급부에서 변압부로 교류전원(100∼300V)이 공급되고 상기 변압부에 의해 고전압 교류전원(1∼1000kV)이 발생되고, 변압된 고전압 교류전원은 상기 정류부에 의해 고전압 직류전원으로 정류되며, 정류된 고전압 직류전원은 상기 충전부에 축전된다.
방전 과정은, 제 3 스위치가 온(on)되고 제 1 스위치, 제 2 스위치 및 제 4 스위치는 오프(off)된 상태에서 진행되며, 상기 충전부에 축적된 고전압 직류전원이 상기 방전 전극을 통해 방전된다. 또한, 제 1, 제 2, 제 3 스위치는 오프(off)시키고, 제 4 스위치만 온(on)시킨 상태에서, 상기 충전부에 잔류하는 직류전원을 접지(earth)를 통해 완전 방전시킬 수 있다.
이와 함께, 물이 채워진 암반 발파공 상에, 수중 고전압 충격파에 의해 물이 발파공 외부로 방출되는 것을 방지하기 위한 발파공 밀폐부재가 구비된다.
본 발명에 따른 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법은 다음과 같은 효과가 있다.
암반 발파공 내의 물에 고전압을 인가하여 충격파에 따른 강력한 압력파동을 통해 물을 팽창시키고, 팽창된 물에 의해 암반의 파쇄 및 균열을 유도하는 방식임에 따라, 첫째, 압력파동이 암반 발파공에 방사형으로 균일하게 전달되어 암반의 파쇄 및 균열을 효과적으로 전파시킬 수 있으며, 둘째, 인가되는 고전압 크기의 조절에 따라 암반 파쇄와 균열 정도를 제어할 수 있고, 셋째, 화약 사용이 배제됨에 따라 먼지, 소음 및 진동을 최소화할 수 있으며, 화약 사용에 따른 파쇄물의 외부 배출 등의 부작용이 해소된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 기술을 설명하기 위한 참고도.
도 2는 고전압 인가장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파장치를 통해 수중에 고전압을 인가한 것을 촬영한 사진.
도 4는 암반 발파공 내에 양극전극봉(+) 및 음극전극봉(-)이 구비된 사진.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법을 실시한 후의 암반 발파공 상태를 촬영한 사진.
도 6a 및 도 6b는 화강암 시료에 고전압 충격파를 인가한 후의 발파공 상태를 나타낸 사진.
도 2는 고전압 인가장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파장치를 통해 수중에 고전압을 인가한 것을 촬영한 사진.
도 4는 암반 발파공 내에 양극전극봉(+) 및 음극전극봉(-)이 구비된 사진.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법을 실시한 후의 암반 발파공 상태를 촬영한 사진.
도 6a 및 도 6b는 화강암 시료에 고전압 충격파를 인가한 후의 발파공 상태를 나타낸 사진.
본 발명은 수중 고전압 충격파를 유도하여 암반을 파쇄함과 함께 암반의 균열전파를 달성할 수 있는 기술을 제시한다.
암반의 발파공에 물을 장입시킨 상태에서, 전극봉을 이용하여 물에 고전압을 인가하면 수중 고전압 충격파가 발생됨과 함께 수중 고전압 충격파에 의한 압력파동이 생성된다. 이와 같은 압력파동은 발파공 내에 위치하는 물의 팽창을 유도하며, 팽창된 물에 의해 암반의 파쇄 및 균열전파가 발생된다.
본 발명은 화약 사용을 배제하고 수중 고전압 충격파를 통해 암반의 파쇄 및 균열전파를 유도함에 따라, 화약 사용에 따른 소음, 먼지, 진동이 억제됨과 함께 파쇄된 암석의 폭풍압에 의한 배출을 방지할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법은 다음과 같은 장치 구성 하에 진행된다. 도 1을 참조하면, 파쇄대상 암반에 일정한 크기의 다수의 발파공(10)이 미리 형성된다. 암반 발파공(10)은 외부 환경과 격리되며, 암반 발파공(10)의 기하학적 크기는 고전압 충격파에 의해 발생되는 압력 및 해당 압력을 유도하기 위한 전압 인가량 등을 고려하여 설계될 수 있다.
상기 암반 발파공(10) 내에는 물이 장입되며, 장입된 물 내에는 고전압을 인가하기 위한 인가전극(150) 즉, 양극전극봉(+) 및 음극전극봉(-)이 배치된다. 또한, 양극전극봉(+) 및 음극전극봉(-)의 일측에는 고전압 인가장치(100)가 구비된다. 이와 함께, 암반 발파공(10) 상에는 수중 고전압 충격파에 의해 물과 팽창압력이 발파공(10) 외부로 방출되는 것을 방지하기 위한 발파공 밀폐부재(20)가 구비된다. 상기 고전압 인가장치(100)는 충전 및 방전이 가능하도록 설계할 수 있으며, 이를 통해 고전압을 주기적 또는 간헐적으로 인가할 수 있다. 상기 고전압 인가장치(100)의 상세 구성에 대해서는 후술하기로 한다.
이와 같은 구성 하에 진행되는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법을 설명하면 다음과 같다. 암반 발파공(10) 내에 물이 채워지고 양극전극봉(+) 및 음극전극봉(-)이 암반 발파공(10) 내에 구비된 상태에서, 고전압 인가장치(100)를 통해 양극전극봉(+) 및 음극전극봉(-)에 고전압을 인가하면 암반 발파공(10) 내의 물에 고전압 충격파가 발생된다. 수중에 발생된 고전압 충격파에 의해 강력한 압력파동이 생성되며, 압력파동에 의해 밀폐된 암반 발파공(10) 내에 존재하는 물은 팽창하게 된다. 밀폐된 암반 발파공(10) 내에 존재하는 물이 팽창함에 따라, 암반의 파쇄 및 균열전파가 발생된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 유도장치를 통해 수중에 고전압을 인가한 것을 촬영한 것으로서, 고전압 인가에 의해 수중 고전압 충격파가 발생되는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 암반 발파공 내에 양극전극봉(+) 및 음극전극봉(-)이 구비된 사진이며, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파를 실시한 후의 암반 발파공 상태를 촬영한 사진이다. 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법의 실시 후 암반 발파공 내부 및 암반 발파공 주변에 다수의 균열이 발생됨을 확인할 수 있다.
또한, 화강암 시료를 대상으로 본 발명에 따른 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법을 실시하였다. 실험방법은 다음과 같다. 가로 x 세로 x 높이가 200mm x 200mm x 300mm인 화강암 시료를 준비하고, 화강암 시료의 중앙에 직경 80mm, 깊이 250mm의 발파공을 형성시켰다. 화강암 시료의 발파공에 물을 채우고, 구리 전극봉을 발파공에 삽입한 후 발파공을 밀폐시켰다. 상기 조건의 동일한 화강암 시료를 2개 준비하였다. 이어, 각각의 화강암 시료에 삽입된 구리 전극봉에 서로 다른 임의의 수치로 고전압을 인가하였다.
고전압 인가 후 물을 빼낸 다음 두 개의 화강암 시료 상태를 살펴본 결과, 전압이 낮게 인가된 화강암 시료의 경우 발파공 내부 및 주변에 2개의 큰 균열이 발생되었고(도 6a 참조), 전압이 높게 인가된 화강암 시료의 경우 발파공 내부 및 주변에 7개 정도의 큰 균열이 발생됨을 확인하였다(도 6b 참조).
이와 같은 결과를 통해, 수중 고전압 충격파에 의해 발생된 압력파동이 발파공에 비교적 균일하게 전달되어 발파공의 균열을 효과적으로 유도함을 확인할 수 있으며, 암석 종류에 따른 고전압의 조절을 통해 암반의 균열정도를 제어할 수 있을 것으로 판단된다.
한편, 암반 발파공 내에 장입된 물에 고전압을 인가하는 고전압 인가장치는 다양한 형태로 설계될 수 있는데, 일 실시예로 상술한 바와 같이 주기적 또는 간헐적인 고전압 인가가 가능하도록 다음과 같이 설계될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 인가장치(100)는 전원공급부(110), 변압부(120), 정류부(130), 충전부(140) 및 인가전극(150)을 포함하여 구성된다. 상기 전원공급부(110)는 100∼300V의 교류전원을 공급하며, 상기 변압부(120)은 상기 전원공급부(110)를 통해 입력되는 교류전원을 1∼1000kV의 고전압으로 변압시키는 역할을 한다.
또한, 상기 정류부(130)는 상기 변압부(120)에 의해 변압된 고전압 교류전원을 고전압 직류전원으로 정류하는 역할을 하며, 상기 충전부(140)는 상기 정류부(130)에 의해 정류된 고전압 직류전원을 축전하는 역할을 한다. 이 때, 상기 정류부(130)는 순환형 고전압케이블에 복수의 다이오드를 배치하여 구성할 수 있으며, 상기 충전부(140)는 복수의 콘덴서를 병렬 연결시켜 구성할 수 있다. 상기 정류부(130)와 충전부(140) 사이의 도선에는 전류 흐름을 위해 저항이 배치된다.
상기 인가전극(150)은 상기 충전부(140)의 양단과 연결되어 상기 충전부(140)에 충전된 고전압을 암반 발파공(10) 내에 존재하는 물에 방전하는 역할을 한다. 상기 인가전극(150)은 상술한 양극전극봉(+) 및 음극전극봉(-)에 해당된다.
한편, 본 발명에 있어서 고전압의 충전 및 방전은 선택적으로 진행될 수 있는데, 이를 위해 상기 고전압 인가장치(100)에 4개의 스위치 즉, 제 1 내지 제 4 스위치(101)(102)(103)(104)가 구비된다. 제 1 스위치(101)는 전원공급부(110)와 변압부(120) 사이에 구비되고, 제 2 스위치(102)는 정류부(130)와 충전부(140) 사이에 구비되며, 제 3 스위치(103)는 충전부(140)와 인가전극(150) 사이에 구비된다. 또한, 제 4 스위치(104)는 충전부(140)와 접지(earth)와 연결되며, 상기 접지는 충전부(140)와 인가전극(150) 사이에서 분기되어 구비된다.
이와 같은 구성 하에서, 고전압의 선택적 충전 및 방전 동작을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 충전 과정은, 제 1 스위치(101)와 제 2 스위치(102)가 온(on)되고 제 3 스위치(103)와 제 4 스위치(104)가 오프(off)된 상태에서 진행된다. 제 1 스위치(101)와 제 2 스위치(102)가 온(on)이 된 상태임에 따라, 전원공급부(110)에서 변압부(120)로 교류전원(100∼300V)이 공급되고 상기 변압부(120)에 의해 고전압 교류전원(1∼1000kV)이 발생되고, 변압된 고전압 교류전원은 상기 정류부(130)에 의해 고전압 직류전원으로 정류되며, 정류된 고전압 직류전원은 상기 충전부(140)에 축전된다.
다음으로, 방전 과정은, 제 3 스위치(103)가 온(on)되고 제 1 스위치(101), 제 2 스위치(102) 및 제 4 스위치(104)는 오프(off)된 상태에서 진행된다. 즉, 충전부(140)와 인가전극(150)만이 전기적으로 연결된 상태에서 방전 과정이 진행되며, 상기 충전부(140)에 축적된 고전압 직류전원(1∼1000kV)이 상기 인가전극(150)을 통해 암반 발파공(10) 내의 물에 인가된다.
인가전극(150) 즉, 양극전극봉(+) 및 음극전극봉(-)을 통해 암반 발파공(10) 내의 물에 고전압이 인가되면 상술한 바와 같은 수중 고전압 충격파의 발생, 압력파동의 생성, 압력파동에 의한 물의 팽창, 팽창된 물에 의한 암반의 파쇄 및 균열전파가 순차적으로 진행된다.
상기 방전 과정이 완료되면 다시 충전 과정이 진행되는데, 충전 과정을 진행하기에 앞서 상기 충전부(140)에 잔류하는 직류전원을 외부로 완전 방전시킬 필요가 있다. 이는 충전부(140)에 축전되는 고전압을 일정하게 유지, 관리하기 위함이다. 상기 충전부(140)에 잔류하는 직류전원을 완전 방전하기 위해, 제 1, 제 2, 제 3 스위치(103)는 오프(off)시키고, 제 4 스위치(104)만 온(on)시키며 이에 따라, 충전부(140)의 잔류 전원은 접지(earth)를 통해 완전 방전된다.
10 : 암반 발파공 20 : 발파공 밀폐부재
100 : 고전압 인가장치 101 : 제 1 스위치
102 : 제 2 스위치 103 : 제 3 스위치
104 : 제 4 스위치 110 : 전원공급부
120 : 변압부 130 : 정류부
140 : 충전부 150 : 인가전극
100 : 고전압 인가장치 101 : 제 1 스위치
102 : 제 2 스위치 103 : 제 3 스위치
104 : 제 4 스위치 110 : 전원공급부
120 : 변압부 130 : 정류부
140 : 충전부 150 : 인가전극
Claims (7)
- 암반의 발파공에 물을 채운 상태에서, 암반 발파공 내의 물에 고전압을 인가하는 단계;
고전압 인가에 의해 고전압 충격파가 발생됨과 함께 압력파동이 생성되며, 압력파동에 의해 암반 발파공 내의 물이 팽창됨과 함께 팽창된 물에 의해 암반의 파쇄 및 균열전파가 발생되는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고전압은 고전압 인가장치에 의해 인가되며,
상기 고전압 인가장치는,
교류전원을 공급하는 전원공급부와, 상기 교류전원을 1∼1000kV의 고전압으로 변압하는 변압부와, 변압된 교류전원을 고전압 직류전원으로 정류하는 정류부와, 상기 고전압 직류전원을 축전하는 충전부와, 상기 충전부에 저장된 고전압 직류전원을 방전하는 인가전극을 포함하여 구성되며,
상기 인가전극은 물이 채워진 암반 발파공 내에 구비되는 것을 특징으로 하는 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전원공급부와 변압부 사이에 제 1 스위치가 구비되고, 상기 정류부와 충전부 사이에 제 2 스위치가 구비되고, 상기 충전부와 방전 전극 사이에 제 3 스위치가 구비되고, 상기 충전부와 접지(earth) 사이에 제 4 스위치가 구비되는 것을 특징으로 하는 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법.
- 제 6 항에 있어서, 충전 과정은,
제 1 스위치와 제 2 스위치가 온(on)되고, 제 3 스위치와 제 4 스위치가 오프(off)된 상태에서 진행되며,
상기 전원공급부에서 변압부로 교류전원(100∼300V)이 공급되고 상기 변압부에 의해 고전압 교류전원(1∼1000kV)이 발생되고, 변압된 고전압 교류전원은 상기 정류부에 의해 고전압 직류전원으로 정류되며, 정류된 고전압 직류전원은 상기 충전부에 축전되는 것을 특징으로 하는 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법.
- 제 6 항에 있어서, 방전 과정은,
제 3 스위치가 온(on)되고 제 1 스위치, 제 2 스위치 및 제 4 스위치는 오프(off)된 상태에서 진행되며,
상기 충전부에 축적된 고전압 직류전원이 상기 방전 전극을 통해 방전되는 것을 특징으로 하는 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법.
- 제 6 항에 있어서, 제 1, 제 2, 제 3 스위치는 오프(off)시키고, 제 4 스위치만 온(on)시킨 상태에서,
상기 충전부에 잔류하는 직류전원을 접지(earth)를 통해 완전 방전시키는 것을 특징으로 하는 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법.
- 제 1 항에 있어서, 물이 채워진 암반 발파공 상에, 수중 고전압 충격파에 의해 물이 발파공 외부로 방출되는 것을 방지하기 위한 발파공 밀폐부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 고전압 충격파를 이용한 암반파쇄 및 균열전파 공법.
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