KR102115489B1 - 조향 천공과 연쇄 발파를 이용한 활성 단층 지진의 규모 저감 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 활성 단층 지진의 규모 저감 방법은 단층면에 존재하는 대규모 거칠기를 파쇄하여 지층이 작은 에너지에 의해서도 이동될 수 있도록 함으로써 지층에 축적된 에너지가 여러 차례의 작은 지진으로 방출되도록 하여 대규모 지진을 방지할 수 있다.

Description

조향 천공과 연쇄 발파를 이용한 활성 단층 지진의 규모 저감 방법{Methods for reducing the magnitude of earthquake occurred in active fault by using a directional drilling and a sequential blasting}

본 발명은 활성 단층 지진의 규모 저감 방법에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는 단층면에 존재하는 대규모 거칠기를 파쇄하여 지층이 작은 에너지에 의해서도 이동될 수 있도록 함으로써 지층에 축적된 에너지가 여러 차례의 작은 지진으로 방출되도록 하여 대규모 지진을 방지할 수 있는, 활성 단층 지진의 규모 저감 방법에 대한 것이다.

일반적으로, 지진은 해구 지진과 단층 지진으로 구분된다.

해구 지진은 맨틀 대류에 따라 해양 지각이 대륙 지각 밑으로 지속적으로 하강하다가 한계치를 넘어서면 급격하게 상측으로 동적 변형이 발생하여 발생하게 되는 것으로서, 지진과 함께 해일을 일으키기도 한다. 심해에서 해구 지진은 리히터 규모 5.0 ~ 9.0의 크기를 갖는다고 알려져 있다.

해구 지진은 맨틀 대류에 따라 지각이 이동하여 발생하므로, 근본적으로 맨틀의 대류를 막을 방안이 없으므로 해구 지진을 방지할 방안이 사실상 없는 실정이다.

단층 지진은 지층의 전단 파괴가 발생하여 단층이 되거나 단층면 사이의 동적 마찰 파괴 또는 전단 파괴에 의해 발생한다. 단층 지진은 해구 지진에 비해 규모가 작고 주로 리히터 규모 2.0 ~ 6.0의 크기를 갖는데, 최근 연구 결과에 따르면 최대 7.0 규모의 단층 지진이 예측되기도 한다.

한반도에는 다수 개의 단층이 존재하기 때문에 지진의 안전 지대가 아니다. 특히, 한반도 동남권에는 양산 단층, 울산 단층 등과 같은 대규모 활성 단층이 있는데, 2016년 9월 12일에 발생한 경주지진은 리히터 규모 5.8로서 양산 단층의 지류에서 발생한 것으로 알려져 있다.

경주 지진을 비롯한 많은 단층 지진은 재산상 피해와 인적 손실 및 자연 재해를 발생시키므로, 이에 대한 대비책이 필요한 실정이다.

본 출원인은 오랜 기간 단층 지진의 원인과 대비책을 연구한 결과, 단층 지진의 발생 유형을 아래와 같이 두 가지로 구분하였다.

- 유형 1 : 이미 발생한 단층면에 지속적인 전단 변형이 발생하는 암반 단층면(불연속면)의 전단 파괴(전단 변위에 의한 진동 발생).

- 유형 2 : 연속체인 암반에 새로운 불연속면이 발생하는 전단 파괴(불연속면과 암반 균열의 확장).

양산 단층과 울산 단층에서 발생한 지진은 유형 1에 속한다. 유형 1의 지진 중에서, 도 1에 나타난 바와 같이, 단층면(5)의 거칠기가 작은 경우에는 전단 거동이 발생할 때 거칠기가 쉽게 변형 또는 파쇄되므로 리히터 규모 2.0~3.4 정도의 약한 지진이 발생한다.

한편, 도 2에 나타난 바와 같이, 습곡 부분(단층면의 거칠기가 큰 부분)은 지층의 변형 에너지가 과다하게 축적되어 대규모 취성 파괴가 발생됨에 따라 리히터 규모 4 이상의 강한 지진이 발생할 수도 있다.

본 발명은 위와 같은 기존 연구 결과와 본 출원인의 연구 결과에 기초하여 단층 지진을 저감하기 위하여 제안된 것이다.

구체적으로, 본 발명은 단층면에 존재하는 대규모 거칠기(7)를 미리 발파(파쇄)하여 거칠기를 완화시키거나 없앰으로써 지층이 작은 에너지에 의해서도 이동할 수 있도록 함으로써 지층에 축적된 에너지를 여러 차례의 약한 지진으로 방출할 수 있도록 하여 강한 지진을 방지할 수 있는, 활성 단층 지진의 규모 저감 방법을 제공하고자 하는 목적을 갖고 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 조향 천공 및/또는 수직 천공 등으로 천공홀(10)을 대규모 거칠기(7)까지 굴착한 후 연쇄 발파 또는 집중 발파로 대규모 거칠기(7)를 파쇄하는, 활성 단층 지진의 규모 저감 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 모델 실험을 통하여 적정한 천공홀(10)의 위치와 개수 및 장약량 등을 결정할 수 있는, 활성 단층 지진의 규모 저감 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 발파로 인해 발생된 균열 길이(W_tot)와 단층면 연결부(6)의 길이(d_tot)의 비율(R=W_tot/d_tot)에 따른 지진 규모(최대 진동 속도) 저감 효과를 수치모델 실험을 통해서 미리 예측할 수 있는, 활성 단층 지진의 규모 저감 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 활성 단층 지진의 규모 저감 방법은, (a) 단층면(5)에 돌출되도록 형성된 대규모 거칠기(7)를 탐사하여 그 위치와 형상을 알아내는 단계; (b) 지상에서 대규모 거칠기(7)까지 굴착할 천공홀(10)의 위치와 개수 및, 천공홀(10)에 장약할 장약량 등을 결정하는 단계; (c) 천공홀(10)을 굴착하고, 천공홀(10)에 폭약을 장약하는 단계; 및, (d) 폭약을 발파하여 대규모 거칠기(7)를 파쇄시키는 단계;를 포함한다.

대규모 거칠기(7)는 서로 접하는 두 단층면 중 어느 하나에서 다른 하나로 돌출되도록 형성된 부분이다. 대규모 거칠기(7)가 파쇄되면 지층이 작은 에너지에 의해서도 이동되므로 지층에 축적된 에너지가 여러 차례의 소규모 지진으로 방출되고 이에 따라 대규모 지진을 방지할 수 있다.

상기 (b) 단계에서, 천공홀(10)의 위치는 발파로 인한 균열이 단층면(5)과 동일한 평면상에 형성되도록 설계되는 것이 바람직하다.

대규모 거칠기(7)가 수직 방향 또는 수직에 가까운 경사 방향으로 길게 형성된 경우, 천공홀(10)은 수직 방향으로 굴착되어 대규모 거칠기(7)의 내부에 도달되거나 소정 심도까지 수직으로 굴착된 후 상기 경사 방향으로 조향 굴착되어 대규모 거칠기(7)의 내부에 도달되거나 지상에서 경사 방향으로 조향 굴착되어 대규모 거칠기(7)에 도달될 수 있다. 그리고, 천공홀(10)의 내부에는 폭약이 집중 장약되거나 분산 장약될 수 있다.

대규모 거칠기(7)가 수평 방향 또는 수평에 가까운 경사 방향으로 길게 형성된 경우, 천공홀(10)은 소정 심도까지 수직 방향으로 굴착된 후 수평 방향 또는 경사 방향으로 조향 굴착되어 대규모 거칠기(7)의 내부에 도달될 수 있다.

상기 (b) 단계는, (b1) 대규모 거칠기(7)의 비장약량(SC)을 구하는 단계; (b2) 주향 방향의 균열 길이(W)와 주향 방향과 수직되는 방향의 균열 길이(L)를 결정하는 단계; 및, (b3) 한 개의 천공홀(10)에 의하여 파쇄될 암석 부피(V)를 아래 식 1을 이용하여 계산하고, 한 개의 천공홀(10)에 장약할 장약량(M)을 아래 식 2를 이용하여 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.

[식 1]

V = D × W × L

D : 대규모 거칠기의 높이

[식 2]

M = SC × V

SC : 비장약량(kg/m³)

상기 (b) 단계는 수치모델 혹은 소규모 실험을 통해서 검증될 수 있다. 모델 실험은 천공홀(10)의 위치와 개수 및, 천공홀(10)에 장약할 장약량 등을 결정하기 위한 것이다.

상기 수치모델 실험은 서로 접하는 단층면(5)을 갖는 제1 지층(1)과 제2 지층(3)을 포함한다. 그리고, 단층면(5)에는 제1 지층(1)에서부터 제2 지층(3)을 향해서 돌출된 대규모 거칠기(7)가 형성된다.

제1 지층(1)의 경계면은 모든 방향으로의 이동이 제한(구속)되고, 제2 지층(3)의 경계면은 단층면(5)의 주향 방향으로의 이동만 허용되고 나머지 방향으로의 이동은 제한(구속)될 수 있다. 제2 지층(3)이 주향 방향으로 이동되는 것에 의해서 지진이 발생될 수 있다.

제2 지층(3)의 이동 속도에 따른 최대 진동속도를 구하고, 상기 최대 진동속도를 이용하여 실제 지진의 규모를 계산(추정)할 수 있다.

상기 (b) 단계는 아래의 식을 이용하여 R값에 따른 최대 진동속도를 모델 실험으로 측정할 수 있다. 그리고, R값의 증감에 따른 최대 진동속도의 증감을 고려하여 지진 저감 정도를 예측하고 천공홀(10) 사이의 거리와 장약량을 결정할 수 있다.

[식]

상기 R값은 10% ~ 70%인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 25% ~ 70%이다. R값이 10% 미만인 경우 지진 규모 저감 효과가 크지 않고 R값이 70%를 초과하면 지진 규모 저감 효과는 확실하지만 추가된 천공홀과 공사 비용과 장약량이 지나치게 많아지므로 경제적, 환경적으로 바람직하지 않다.

그리고, R값이 25% 미만까지는 최대 진동속도가 급격하게 감소하므로 천공홀 및 장약량 등에 소요된 비용, 시간 등과 대비하여 효과가 크고, 이에 따라 R값이 25% 이상인 것이 더욱 바람직하다.

상기 (b) 단계에서, 대규모 거칠기(7)의 비장약량(kg/m³)은 1 자유면을 가질 경우 보다 4 ~ 20배 큰 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 활성 단층 지진의 규모 저감 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 단층면에 존재하는 대규모 거칠기를 미리 발파(파쇄)하여 거칠기를 완화시키거나 없앰으로써 지층이 작은 에너지에 의해서도 이동할 수 있도록 함으로써 지층에 축적된 에너지를 여러 차례의 약한 지진으로 방출할 수 있도록 하여 강한 지진을 방지할 수 있다.

둘째, 조향 천공 또는 수직 천공 등으로 천공홀을 대규모 거칠기까지 굴착한 후 연쇄 발파 또는 집중 발파로 대규모 거칠기로 파쇄할 수 있다.

셋째, 모델 실험을 통하여 적정한 천공홀의 위치와 개수 및 장약량 등을 결정할 수 있다.

넷째, 발파로 인해 발생된 균열 길이(W_tot)와 단층면 연결부(6)의 길이(d_tot)의 비율(R=W_tot/d_tot)에 따른 지진 규모(최대 진동 속도) 저감 효과를 모델 실험을 통해서 미리 예측할 수 있다.

도 1은 단층면의 거칠기가 작을 때 리히터 규모 2.0~3.4의 약한 지진이 발생하는 구조를 보여주는 사시도.
도 2는 단층면에 대규모 거칠기가 존재할 때 리히터 규모 4.0 이상의 중-강진이 발생하는 구조를 보여주는 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 활성 단층 지진의 규모 저감 방법을 보여주는 순서도.
도 4는 수직 천공 및 집중 장약 발파를 이용하여 단층대의 대규모 거칠기를 파쇄/완화하는 것을 보여주는 사시도.
도 5는 조향 천공과 연쇄 발파를 이용하여 단층대의 수직형 대규모 거칠기를 파쇄/완화하는 것을 보여주는 사시도.
도 6은 조향 천공과 연쇄 발파를 이용하여 단층대의 수평형 대규모 거칠기를 파쇄/완화하는 것을 보여주는 사시도.
도 7은 수직 기둥형 대규모 거칠기의 발파 설계를 위한 도면.
도 8은 천공홀 1열의 발파 설계를 위한 단면도.
도 9는 다중 천공홀의 발파 설계를 위한 단면도.
도 10은 모델 실험을 위한 구성도.
도 11은 도 10의 모델 실험에서 전단 속도에 따른 변위(x축, displacement)와 하중(y축, force)의 관계를 보여주는 그래프.
도 12a는 전단 속도(shear velocity)와 x축 방향 최대 진동 속도(Vibration)의 관계를 보여주는 그래프.
도 12b는 전단 속도(shear velocity)와 y축 방향 최대 진동 속도(Vibration)의 관계를 보여주는 그래프.
도 12c는 전단 속도(shear velocity)와 z축 방향 최대 진동 속도(Vibration)의 관계를 보여주는 그래프.
도 13a는 모델 실험에서 대규모 거칠기의 단층면 연결부를 따라 균열이 소정 간격으로 발생된 것을 보여주는 도면.
도 13b는 모델 실험에서 대규모 거칠기의 단층면 연결부를 따라 균열이 서로 연결되도록 발생된 것을 보여주는 도면.
도 14는 균열의 전체 길이(W_tot)와 단층면 연결부의 길이(d_tot)의 비율(W_tot/d_tot)에 따른 x, y, z축 방향의 최대 진동속도를 보여주는 그래프.

이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

[공법의 개요]

도 3은 본 발명에 따른 활성 단층 지진의 규모 저감 방법을 보여주는 플로우 차트이다.

본 발명에 따른 지진 규모 저감 방법은, 활성 단층면(5)에 돌출되도록 형성된 대규모 거칠기(7)를 탐사하여 그 위치와 형상 등을 알아내는 단계(S10)와, 천공홀(10)의 위치와 개수 및 장약량 등을 결정하는 단계(S20)와, 천공홀(10)을 굴착하고 천공홀(10)에 폭약을 장약하는 단계(S30)와, 폭약을 발파하여 대규모 거칠기(7)를 파쇄 또는 완화하는 단계(S40) 및, 대규모 거칠기(7)의 완화 정도를 조사 및 검증하고 거칠기 완화가 불충분하면 추가로 천공 및 발파 작업을 하는 단계(S50)를 포함한다.

한편, 본 명세서에서 거칠기는 단층면(5)에 형성된 요철을 의미하고 대규모 거칠기(7)는 거칠기 중에서 큰 것으로서 지진 발생의 원인이 되므로 본 공법의 제거 대상이 되는 것을 의미한다.

아래에서는 상기 각 단계를 설명하기로 한다.

먼저, 물리 탐사 등의 방법으로 활성 단층면(5)에 돌출되도록 형성된 대규모 거칠기(7)를 탐사한다(S10). 물리 탐사는 탄성파, 전기, 전자파 등을 이용하여 지층의 내부 구조를 파악하는 방법으로서, 물리 탐사를 이용하여 활성 단층면(5)에 돌출된 대규모 거칠기(7)의 위치, 형상 등을 파악할 수 있다. 이러한 물리 탐사는 자원 개발, 지하 구조물 건설 등에 사용되는 것으로서 그 방법이 공지되어 있으므로 여기서는 그 설명을 생략하기로 한다.

이어서, 대규모 거칠기(7)를 파쇄 또는 완화하기 위한 천공홀(10)의 위치와 개수 및 장약량 등을 결정한다(S20). 천공홀(10)의 위치와 개수는 대규모 거칠기(7)의 크기와 형상과 암반 강도 및 경사 등에 따라 결정될 수 있다.

예를 들어, 도 4에 나타난 바와 같이, 대규모 거칠기(7)가 하나이고 덩어리 형상을 갖고 있다면 천공홀(10)을 수직 방향으로 굴착한 후 집중 장약할 수 있다. 단, 대규모 거칠기(7)가 하나이고 덩어리 형상이라 하더라도 인접 지역에 중요 시설이나 건물 등이 있다면 연쇄 발파로 설계할 수도 있다.

그리고, 도 5에 나타난 바와 같이 대규모 거칠기(7)가 아래로 길게 형성되어 있다면 천공홀(10)을 대규모 거칠기(7)를 따라 굴착한 후 분산 장약하여 연쇄 발파로 설계할 수 있는데, 지상에 미치는 발파 진동의 크기가 미미할 경우에는 한꺼번에 발파하여 대규모 거칠기(7)를 최대한 파쇄하여 평탄화시킬 수도 있다.

도 6에 나타난 바와 같이 대규모 거칠기(7)가 단층의 주향(strike) 방향을 따라 수평으로 길게 형성되어 있다면 천공홀(10)을 대규모 거칠기(7)를 따라 조향 굴착한 후 분산 장약하여 연쇄 발파로 설계할 수 있다. 도 6에서 조향 굴착은 소정 심도까지 수직으로 굴착한 후 대규모 거칠기(7)를 따라 수평방향으로 굴착한 것이다. 조향 굴착과 발파는 셰일 가스 개발에 사용된 수평천공 및 발파 공법이 사용될 수 있다. 다만, 셰일 가스 개발에는 수압 파쇄 또는 소규모 제어 발파가 사용되지만 본 공법에는 대규모 장약 및 연쇄 발파가 사용되는 점이 다르다.

한편, 수직방향 거칠기와 수평방향 거칠기가 혼재되어 있는 경우에는 도 5의 공법과 도 6의 공법을 조합하여 시공할 수 있다.

상기 S20 단계 후에는, 천공홀(10)을 굴착하고 천공홀(10)에 폭약을 장약하며(S30), 이어서 폭약을 발파하여 대규모 거칠기(7)를 파쇄한다(S40).

다음으로, 대규모 거칠기(7)의 완화 정도를 조사 및 검증하고, 거칠기 완화가 불충분하면 추가로 천공 및 발파 작업을 한다(S50). 상기 조사는 물리 탐사 등으로 지층 구조를 탐사하여 이루어질 수 있는데, 발파 전후의 지층 구조를 비교하여 대규모 거칠기(7)가 원하는 만큼 평탄화되었는지를 검토한다.

그리고, 만약 거칠기 완화가 불충분하면 천공홀(10)을 추가로 천공하고 발파한다.

아울러, 향후 실제 지진이 발생한 경우, 진도 감소 여부를 확인하고 기존의 지진 기록과 비교하여 검증을 완료한다.

[비장약량 계산 및, 수직 기둥형 거칠기에 대한 발파 설계]

1. 비장약량과, 장약량 대비 균열전파 길이 계산

단층면(5)에 존재하는 대규모 거칠기(7)의 발파에 대한 자료가 없으므로, 비장약량을 계산하기 위해서 벤치 발파와 터널 막장면의 심발 발파에 관한 자료를 이용하였다. 벤치 발파와 심발 발파의 비장약량과, 장약량 대비 균열전파 길이의 일 예를 계산하면 아래의 표 1과 같다.

벤치 발파는 2 자유면을 갖고 심발 발파는 1 자유면을 갖는다. 그런데, 위 표에 나타난 바와 같이, 보통암과 경암의 차이를 고려하더라도 자유면의 조건(개수)이 발파 균열의 전파에 상당히 중요한 영향을 끼침을 알 수 있다. 그리고, 본 출원인은 오랜 현장 경험과 연구를 통하여 자유면이 2개 존재하는 벤치발파보다 자유면이 1개인 심발 발파 조건이 4 ~ 20배, 바람직하게는 6 ~ 15배, 가장 바람직하게는 9.1배의 장약량을 필요하다는 것을 알게 되었다. 그리고, 수치해석과 모델 실험 등을 통하여, 자유면이 없는 거칠기 발파의 경우에는 자유면이 1개인 심발발파보다 바람직하게는 9.1배의 장약량을 필요로 하다는 것을 알게 되었다.

2. 수직 기둥형 대규모 거칠기의 발파 설계

이러한 비장약량을 기초로 하여, 도 7과 같은 수직 기둥형 대규모 거칠기(7)의 발파 설계를 설명하기로 한다.

(1) 설계 조건

- 암반강도 : 경암(압축강도 100MPa 이상)

- 대규모 거칠기의 심도 : 4km

- 대규모 거칠기의 높이(수직 길이) : 100m

- 거칠기의 폭 : 30m

- 균열 길이(L) : 1.5m

- 대규모 거칠기의 형태 : 삼각기둥

(2) 비장약량 추정

위에서 설명한 바와 같이, 대규모 거칠기 발파는 자유면이 없으므로 심발 발파의 경우보다 4 ~ 20배, 바람직하게는 6~15배, 가장 바람직하게는 9.1배의 장약량이 필요하다. 여기에서는 계산을 위해 대규모 거칠기(7) 발파의 비장약량을 심발 발파의 9.1배로 가정하였다.

그리고, 주향 방향(도 7의 x 방향)의 균열 길이(W)와 주향 방향과 수직되는 방향(도 7의 y 방향)의 균열 길이(L)를 결정하고, 하나의 천공홀(10)에 의하여 파쇄될 암석 부피(V)를 아래 식을 이용하여 계산한다. 참고로, 하나의 천공홀(10)에 의하여 파쇄되는 부분이 정확한 직육면체 또는 정육면체로 되지 않고 원기둥 형상으로 될 수도 있겠지만 대략적인 부피 계산을 위해 아래와 같이 계산한다.

V = D×W×L

위 식에서, D : 대규모 거칠기의 높이(길이)

(3) SL(장약량/균열길이) 추정

장약량 대비 균열 길이는 삼각기둥의 폭에 따라 좌우되는 수치이다. 따라서, 대상 지진의 규모를 토대로 단층의 파쇄부피 또는 면적을 계산한 후 추정해야 한다.

SL=SC×D×W

(4) 장약량(M) 산정

우선, 단위길이(m)당 필요한 장약량을 비장약량으로부터 계산한 후, 전체 거칠기의 파쇄에 필요한 장약량(M)을 추정할 수 있다.

M=SC×V

위 (1)~(4)의 계산 결과를 정리하면 아래의 표 2와 같다.

(5) 발파설계인자 계산 예시(지발개수 및 지발당 장약량)

도 8은 천공홀(10)이 1개이고 1열 연쇄발파인 경우의 암반 균열길이 및 발파설계 인자를 보여준다. 여기에서, 대규모 거칠기(7)의 높이(D, 길이)를 100 m로 가정하였을 때, 천공홀(10)로부터 수직 방향으로 균열이 완전히 연결되기 위한 장약량 및 발파설계 인자를 계산한 예시는 아래의 표 3과 같다.

한편, 도 8에서 도면 참조부호 12는 폭약을 나타내고, W는 수평방향(x 방향)의 균열 길이를 나타내며, r은 천공홀의 반경을 나타낸다.

폭약의 부피를 감소시키기 위하여 지발개수를 계산하고, 지발당 장약량을 계산한다. 해당 수치로부터 대심도 발파설계를 한다. 천공홀(10)의 반경(r)이 0.1m일 때, 특정 폭약을 사용하는 경우, 총장약량, 장약부피로부터 장약 총높이(H)를 계산할 수 있다. 이를 통해서 지발개수와 지발당 높이를 계산할 수 있다.

그런데, 초유폭약(ANFO)을 사용하는 경우, 총장약 부피가 천공홀의 부피를 초과하게 되므로, 균열전파에 필요한 폭약을 충분히 장약하지 못하는 것으로 계산되었다(지발높이, 지발당장약량이 음수를 기록하는 것은 장약이 부족하다는 의미이다). 따라서 이보다 고성능 폭약을 사용해야 함을 알 수 있다.

다이너마이트와 ONC를 사용할 때의 지발개수, 지발당 높이, 지발당 장약량을 계산한 결과가 표 3에 정리되어 있는데, 다이너마이트는 7개의 지발, ONC는 19개의 지발을 설치할 수 있었다.

심부지하발파는 그 자체로 지진규모 1.0 ~ 2.5정도의 약한 인공지진을 야기하므로, 발파설계를 통한 진동제어 및 감쇠가 반드시 필요하고, 발파진동 저감을 위해서는 지발개수를 늘려서 지연시차를 늘려야 발파진동을 감소시킬 수 있다. 따라서, 지하 4km의 심부지하 발파균열 생성시, 부피가 작은 고성능폭약을 사용하는 것이 인공지진 최소화에 유리하다.

(6) 다중 천공홀의 발파설계(발파균열 부분발생 모델)

대심도 거칠기(7)의 부피가 큰 경우, 균열망을 연결하여 하나의 큰 균열면적을 형성해야 한다. 이 경우, 단일 천공홀(10)로는 구현이 어려우므로, 도 9에 나타난 바와 같이 복수 개의 천공홀(10)을 천공해서 적절한 W값을 설정해야 한다. 모든 균열이 연결되면 진동감소에 가장 좋지만, 3 ~ 4m 간격으로 수십 개의 천공홀(10)을 천공하는 것은 현실적으로나 경제적으로 불가능하므로, 천공공(10)의 균열 사이에 균열이 전파되지 않는 부분(무결암)이 발생하도록 설계할 수밖에 없다.

이 경우를 '발파균열 부분발생 모델'이라고 정의하고, 아래에서 W_tot/d_tot의 길이비가 50%인 경우에 진동저감 효과에 대한 모델 실험(수치 해석)을 수행하였다. 한편, W_tot/d_tot는 단층면 연결부(6)에서 균열(8)이 발생한 길이의 비율을 의미한다(도 13a, 13b 참조).

[전단 해석(모델 실험)]

(1) 대규모 거칠기에 관한 직접 전단시험 모델링(3D 축소 모형)

본 출원인은 실제 단층면(5)의 대규모 거칠기(7)를 도 10과 같이 모델링하여 전단 해석을 하였다. 도 10에 나타난 바와 같이, 제1 지층(1)과 제2 지층(3)이 단층면(5)에서 서로 접하도록 배치되고, 단층면(5)에는 제1 지층(1)에서부터 제2 지층(3)을 향해서 돌출된 대규모 거칠기(7)가 형성된다.

제1 지층(1)의 경계면은 모든 방향으로의 이동이 제한(구속)되고, 제2 지층(3)의 경계면은 단층의 주향방향(x 방향)으로의 이동만 허용되고 나머지 방향(y, z 방향)으로의 이동은 제한(구속)된다. 제2 지층(3)이 주향 방향(x 방향)으로 이동되는 것에 의해서 지진이 발생된다. 제1,2 지층(1)(3)의 깊이(z 방향의 길이)는 각각 100mm, 제1,2 지층(1)(3)의 폭(p)은 각각 200mm, 제1,2 지층(1)(3)의 길이(q1)(q2)는 각각 100mm로 하였다.

단층면(5)의 거칠기 각도(θ)는 실제 대규모 거칠기(7)의 각도와 동일하게 정해질 수 있고 본 명세서에서는 35˚를 적용하였는데, 이 각도는 Bahaaddini 등이 논문(Numerical direct shear tests to model the shear behaviour of rock joints, Computers and Geotechnics, Vol. 51, p. 101-115)에서 제안한 각도 중에서 가장 높은 값이다.

한편, 절리면 전단시험 수행시 수직하중과 전단하중에 대한 관계식은 다음과 같다.

S = μ×N = N×tanθ

위 식의 양변을 전단면적 A로 나누면, τ=σ_n×tanθ인 Mohr-Coulomb 식이 도출된다.

35˚의 거칠기 각도를 평탄면의 마찰계수로 환산하면 μ=tan35˚=0.7이 된다.

그리고, 전단해석을 위해서 HJC(Holmquist-Johnson-Cook) 모델(Holmquist et al., 1993)을 적용하였다. 여러 참고문헌에 개시된 경암의 물성치를 Ls-dyna 코드에 입력하였다.

(2) 해석 결과

① 전단 속도에 따른 변위-하중 그래프

전단 속도(제2 지층의 이동 속도)에 따른 변위(displacement)와 하중(force)의 관계를 도 11에 도시하였다. 도 11에서 파란 색 그래프는 전단 속도가 0.1m/sec일 때의 변위와 하중의 관계를 보여주고, 빨간 색 그래프는 전단 속도가 1.0m/sec일 때의 변위와 하중의 관계를 보여주며, 녹색 그래프는 전단 속도가 10m/sec일 때의 변위와 하중의 관계를 보여준다.

② 전단 속도별 진동 속도 분석

도 12a는 전단 속도(shear velocity)와 x방향 최대 진동속도(vibration)의 관계를 보여주고, 도 12b는 전단 속도와 y방향 최대 진동속도의 관계를 보여주며, 도 12c는 전단 속도와 z방향 최대 진동속도의 관계를 보여준다.

단층면의 전단 해석결과, 전단 속도가 증가됨에 따라 단층면의 거칠기에서 각 방향으로 발생하는 최대 진동속도가 증가하는 것으로 분석되었다. 아래의 표 4는 전단 속도와 최대 진동 속도의 관계를 보여준다.

3 방향의 진동속도 중 지상에 큰 영향을 미치는 s파에 영향을 주는 인자는 x, z 방향의 진동속도로 가정할 수 있다. 이 중 x 방향의 진동속도가 가장 큰 영향을 미치므로, x방향 진동속도를 기준으로 지진의 강도를 분석하였다.

그리고, 아래의 표 5는 실제 지진시 지진 규모와 최대 진동속도의 관계를 보여준다.

따라서, 본 모델 시험에 따른 전단시험결과(경암, 거칠기 각도 35˚, 전단속도 1~10 m/s의 경우)를 차원해석을 배제하고 표 5에 따라 지진규모로 단순 환산하면, 지진규모 4.5정도로 추정할 수 있다. 따라서, 1m/s의 전단속도 모델이 포항-경주 진동치과 유사하다고 판단하여, 아래에서는 1m/s를 기준으로 발파균열에 의한 지진 규모 저감 효과를 분석하였다.

③ 발파균열 부분연결 모델 및, 발파균열 완전연결 모델

'발파균열 부분연결 모델'은 폭약 사용이 제한적인 경우를 가정하여, 발파균열(8)이 대규모 거칠기(7)의 단층면 연결부(6)의 일부에서만 형성되는 것을 모델링한 것이다. 도 13a는 단층면 연결부(6)의 전체 길이(d_tot) 중에서 50%에 균열(8)이 형성된 것을 모델링한 것으로서, 아래의 수학식 1을 이용하여 계산된 R=50%이다. 수치해석을 위해 4개 요소마다 2개의 요소를 삭제하는 방식으로 균열(8)을 구현하였다. 한편, 단층면 연결부(6)는 단층면(5)과 대규모 거칠기(7)가 연결되는 부분으로서, 도 13a는 단층면 연결부(6)를 따라 일정 간격으로 균열(8)이 형성되어 있는 것을 보여준다.

[수학식 1]

한편, '발파균열 완전연결 모델'은, 도 13b에 도시된 바와 같이, 균열(8)이 단층면 연결부(6)를 따라 완전히 연결된 것을 모델링한 것으로서, 수학식 1을 이용하여 계산된 R=100%이다. 수치해석을 위해서, 단층면 연결부(6)의 노드를 분리하여 모델링하였다. 따라서, 사실상 거칠기가 없는 평탄면 조건과 유사하다.

도 14와 표 6은 전단 속도가 1m/s일 때 R값(Crack and length ratio, %)에 따른 x, y, z축 방향의 최대 진동속도(Vibration, m/s)를 보여준다.

도 14와 표 6에 나타난 바와 같이, R값이 증가됨에 따라 각 방향으로 발생되는 진동속도가 저감되는 것을 알 수 있다. 3 방향의 진동속도 중에서 x, z방향의 최대 진동속도는 R=100%일 때가 R=0%일 때 보다 각각 5.2배, 1.7배 진동속도 감소효과를 보였다. 이것은 지진 에너지 기준으로 25배 정도 감소한 것을 의미한다.

모델 시험에서 x, z방향의 진동속도는 실제 지진발생시 지상에 큰 영향을 미치는 s파와 관련된 주요 인자인 것을 감안하면, 대규모 거칠기(7)에 발파 균열(8)을 유발하는 본 공법은 지진 발생시 지진의 규모를 3~5배 이상 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.

표 5를 참고하면, R=0%인 경우 지진규모가 4.5 ~ 4.9의 중규모에 해당하지만, R=50%인 경우 지진규모가 3.0 ~ 3.9정도의 소규모 등급으로 감소함을 알 수 있다. 따라서, 발파로 인한 인공 균열(8)을 발생시키는 것이 진동속도 감소 및 전체 지진규모 감쇠에 도움을 줄 수 있을 것으로 분석된다.

시공업자는 R값의 증감에 따른 최대 진동속도의 증감을 고려하여 지진 저감 정도를 예측하고 천공홀(10) 사이의 거리와 장약량 등을 결정할 수 있을 것이다.

한편, 도 14에서 x축 방향의 최대 진동속도는 대략 R=24%까지는 급격히 감소하다가 대략 R=25% 이상에서는 감소 정도가 줄어듦을 알 수 있다. 한편, R값이 커질수록 3 방향의 최대 진동속도가 감소하지만 그 감소 정도가 점차로 작아짐을 알 수 있다. 그리고, R값이 커질수록 천공홀 공사 비용이 증가한다. 따라서, 지진 규모 감소 효과와 공사비 등을 감안하여 R=10% ~ 70%인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 25% ~ 70%이지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

1 : 제1 지층 3 : 제2 지층
5 : 단층면
6 : 단층면과 대규모 거칠기가 연결되는 부분
7 : 대규모 거칠기 8 : 발파로 인해 생긴 균열
10 : 천공홀 12 : 폭약

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 활성 단층에서 발생하는 단층 지진의 규모를 줄이기 위한 방법으로서,
   (a) 단층면(5)에 돌출되도록 형성된 대규모 거칠기(7)를 탐사하여 그 위치와 형상을 알아내는 단계;
   (b) 지상에서 대규모 거칠기(7)까지 굴착할 천공홀(10)의 위치와 개수 및, 천공홀(10)에 장약할 장약량을 결정하는 단계;
   (c) 천공홀(10)을 굴착하고, 천공홀(10)에 폭약을 장약하는 단계; 및,
   (d) 폭약을 발파하여 대규모 거칠기(7)를 파쇄시키는 단계;를 포함하고,
   대규모 거칠기(7)는 서로 접하는 두 단층면 중 어느 하나에서 다른 하나로 돌출되도록 형성된 부분이며, 대규모 거칠기(7)가 파쇄되면 지층이 작은 에너지에 의해서도 이동되므로 지층에 축적된 에너지가 여러 차례의 소규모 지진으로 방출되고 이에 따라 대규모 지진이 방지되고,
   상기 (b) 단계는 천공홀(10)의 위치와 개수 및, 천공홀(10)에 장약할 장약량을 결정하기 위한 모델 실험을 포함하고, 모델 실험은 수치해석 또는 축소 모형 실험을 포함하며,
   상기 모델 실험은 서로 접하는 단층면(5)을 갖는 제1 지층(1)과 제2 지층(3)을 포함하며, 단층면(5)에는 제1 지층(1)에서부터 제2 지층(3)을 향해서 돌출된 대규모 거칠기(7)가 형성되고,
   제1 지층(1)의 경계면은 모든 방향으로의 이동이 제한되고, 제2 지층(3)의 경계면은 단층면(5)의 주향 방향으로의 이동만 허용되고 나머지 방향으로의 이동은 제한되며,
   제2 지층(3)이 주향 방향으로 이동되는 것에 의해서 지진이 발생되고,
   상기 (b) 단계는 아래의 식을 이용하여 R값에 따른 최대 진동속도를 상기 모델 실험으로 측정하고, R값의 증감에 따른 최대 진동속도의 증감을 고려하여 지진 저감 정도를 예측하고 천공홀(10) 사이의 거리와 장약량을 결정하며,
   상기 R값은 25% ~ 70%이고,
   상기 (b) 단계에서, 자유면이 1개 존재하는 심발 발파의 비장약량이 자유면이 2개 존재하는 벤치발파의 비장약량 보다 4~20배인 것을 고려하여 상기 대규모 거칠기(7)의 비장약량(kg/m³)을 자유면이 1개 존재하는 심발 발파의 비장약량 보다 4 ~ 20배 크게 되도록 하고,
   상기 (b) 단계에서, 천공홀(10)의 위치는 발파로 인한 균열이 단층면(5)과 동일한 평면상에 형성되도록 설계되며,
   대규모 거칠기(7)가 수직 방향 또는 수직에 가까운 경사 방향으로 길게 형성되고,
   천공홀(10)은 수직 방향으로 굴착되어 대규모 거칠기(7)의 내부에 도달되거나 소정 심도까지 수직으로 굴착된 후 상기 경사 방향으로 조향 굴착되어 대규모 거칠기(7)의 내부에 도달되거나 지상에서 경사 방향으로 조향 굴착되어 대규모 거칠기(7)에 도달되며,
   천공홀(10)의 내부에는 폭약이 집중 장약되거나 분산 장약되고,
   상기 (b) 단계는,
   (b1) 대규모 거칠기(7)의 비장약량(SC)을 구하는 단계;
   (b2) 주향 방향의 균열 길이(W)와 주향 방향과 수직되는 방향의 균열 길이(L)를 결정하는 단계; 및,
   (b3) 한 개의 천공홀(10)에 의하여 파쇄될 암석 부피(V)를 아래 식 1을 이용하여 계산하고, 한 개의 천공홀(10)에 장약할 장약량(M)을 아래 식 2를 이용하여 계산하며, 균열 길이(L) 당 필요한 장약량(SL)을 아래 식 3을 이용하여 계산하는 단계;를 포함하고,
   상기 폭약은 초유폭약(ANFO) 보다 고성능 폭약인 것을 특징으로 하는, 활성 단층 지진의 규모 저감 방법.
   [식]
   

   

   
   [식 1]
   V = D × W × L
   D : 대규모 거칠기의 높이
   [식 2]
   M = SC × V
   SC : 비장약량(kg/m³)
   [식 3]
   SL = SC × D × W
6. 활성 단층에서 발생하는 단층 지진의 규모를 줄이기 위한 방법으로서,
   (a) 단층면(5)에 돌출되도록 형성된 대규모 거칠기(7)를 탐사하여 그 위치와 형상을 알아내는 단계;
   (b) 지상에서 대규모 거칠기(7)까지 굴착할 천공홀(10)의 위치와 개수 및, 천공홀(10)에 장약할 장약량을 결정하는 단계;
   (c) 천공홀(10)을 굴착하고, 천공홀(10)에 폭약을 장약하는 단계; 및,
   (d) 폭약을 발파하여 대규모 거칠기(7)를 파쇄시키는 단계;를 포함하고,
   대규모 거칠기(7)는 서로 접하는 두 단층면 중 어느 하나에서 다른 하나로 돌출되도록 형성된 부분이며, 대규모 거칠기(7)가 파쇄되면 지층이 작은 에너지에 의해서도 이동되므로 지층에 축적된 에너지가 여러 차례의 소규모 지진으로 방출되고 이에 따라 대규모 지진이 방지되고,
   상기 (b) 단계는 천공홀(10)의 위치와 개수 및, 천공홀(10)에 장약할 장약량을 결정하기 위한 모델 실험을 포함하고, 모델 실험은 수치해석 또는 축소 모형 실험을 포함하며,
   상기 모델 실험은 서로 접하는 단층면(5)을 갖는 제1 지층(1)과 제2 지층(3)을 포함하며, 단층면(5)에는 제1 지층(1)에서부터 제2 지층(3)을 향해서 돌출된 대규모 거칠기(7)가 형성되고,
   제1 지층(1)의 경계면은 모든 방향으로의 이동이 제한되고, 제2 지층(3)의 경계면은 단층면(5)의 주향 방향으로의 이동만 허용되고 나머지 방향으로의 이동은 제한되며,
   제2 지층(3)이 주향 방향으로 이동되는 것에 의해서 지진이 발생되고,
   상기 (b) 단계는 아래의 식을 이용하여 R값에 따른 최대 진동속도를 상기 모델 실험으로 측정하고, R값의 증감에 따른 최대 진동속도의 증감을 고려하여 지진 저감 정도를 예측하고 천공홀(10) 사이의 거리와 장약량을 결정하며,
   상기 R값은 25% ~ 70%이고,
   상기 (b) 단계에서,
   자유면이 1개 존재하는 심발 발파의 비장약량이 자유면이 2개 존재하는 벤치발파의 비장약량 보다 4~20배 큰 것을 고려하여, 상기 대규모 거칠기(7)의 비장약량(kg/m³)을 자유면이 1개 존재하는 심발 발파의 비장약량 보다 4 ~ 20배 크게 되도록 하고,
   상기 (b) 단계에서, 천공홀(10)의 위치는 발파로 인한 균열이 단층면(5)과 동일한 평면상에 형성되도록 설계되며,
   대규모 거칠기(7)가 수평 방향 또는 수평에 가까운 경사 방향으로 길게 형성되고,
   천공홀(10)은 소정 심도까지 수직 방향으로 굴착된 후 수평 방향 또는 경사 방향으로 조향 굴착되어 대규모 거칠기(7)의 내부에 도달되며,
   상기 (b) 단계는,
   (b1) 대규모 거칠기(7)의 비장약량(SC)을 구하는 단계;
   (b2) 주향 방향의 균열 길이(W)와 주향 방향과 수직되는 방향의 균열 길이(L)를 결정하는 단계; 및,
   (b3) 한 개의 천공홀(10)에 의하여 파쇄될 암석 부피(V)를 아래 식 1을 이용하여 계산하고, 한 개의 천공홀(10)에 장약할 장약량(M)을 아래 식 2를 이용하여 계산하며, 균열 길이(L) 당 필요한 장약량(SL)을 아래 식 3을 이용하여 계산하는 단계;를 포함하고,
   상기 폭약은 초유폭약(ANFO) 보다 고성능 폭약인 것을 특징으로 하는, 활성 단층 지진의 규모 저감 방법.
   [식]
   

   

   
   [식 1]
   V = D × W × L
   D : 대규모 거칠기의 높이
   [식 2]
   M = SC × V
   SC : 비장약량(kg/m³)
   [식 3]
   SL = SC × D × W
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제

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