KR19990036267A - 충격 해머 및 소량-장입 발파의 조합이용에 의한 경질 암석 및 콘크리트의 제어된 파쇄를 수행하기 위한 방법 - Google Patents

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존 데이비드 와트슨
브라이언 피 마이크
Original Assignee
마이크 브라이언
볼리나스 테크놀러지스 엘엘씨
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Abstract

암석 및 콘크리트와 같은 다른 경질 물질이 기계적 충격 파쇄기(33) 및 소량-장입 발파 공정의 조합에 의해 부서진다. 기계적 충격 파쇄기(33,47)는 암석에 연속적으로 기계적인 타격을 전달하므로써 암석을 파쇄한다. 상기 파쇄 공정은 제어된 파쇄균열(18,30)을 개시하여 전파시키거나 구멍 바닥(12) 근처의 기존 파쇄균열을 전파시키는 방식으로 천공 구멍(9)의 바닥을 가압하므로써 달성된다. 실제로, 소량-장입 발파 방법은 파쇄에 이용되어 굴착 중심부분을 부분적으로 부순다. 이때, 기계적 충격 파쇄기(33,47)는 소량-장입 발파에 의해 약화된 암석을 효율적으로 더 부수고 제거하는데 이용된다.

Description

충격 해머 및 소량-장입 발파의 조합이용에 의한 경질 암석 및 콘크리트의 제어된 파쇄를 수행하기 위한 방법
암석의 굴착은 광산, 채석, 토목 산업에서 근본적인 작업이다. 암석 및 다른 경한 재질의 굴착에 관련된 산업에서는 다음과 같은 다수의 부정당한 요구조건들이 존재하게 된다 :
감소된 암석 굴착 비용.
증가된 굴착 속도.
향상된 안전 및 감소된 안전비용.
굴착공정의 정확성에 대한 더 양호한 제어.
도시 및 환경적으로 민감한 지역에서 받아들일 수 있는 효과적인 굴착 방법 및 비용.
천공 및 발파 방법은 가장 공통적으로 채용되고 가장 일반적으로 적용될 수 있는 암석 굴착방법이다. 이들 방법은 법규적 제한 때문에 많은 도시 환경에 적합하지 않다. 광산 산업의 경우, 천공 및 발파 방법은 광산 개발 및 터널 토목공사 동안에 생산율에서 근본적으로 제한되며, 대규모 천공 및 발파 공정의 주기적 성질 때문에 진행율에서 근본적으로 제한된다.
터널 보링머신들이 원형의 단 면적을 갖는 길고 비교적 곧은 터널을 요구하는 굴착을 위해 이용되지만, 이들 머신은 광산 작업에는 좀처럼 이용되지 않는다.
로드헤더 장치(roadheader machine)은 채광 및 건설장비에 사용되지만, 이 장치는 중간정도로 단단한 비연마제 암석층에 제한된다.
기계적 충격 파쇄기가 특대의 암석, 콘크리트 및 강화 콘크리트 구조물을 부수기 위한 수단으로서 이용된다. 기계적 충격 파쇄기는 고에너지 유체 시스템의 이용 및 고강도, 고파단취성의 공구비트용 강철의 이용을 통해 충격 기구의 타격 에너지 및 타격 횟수를 증가시키므로써 기술적으로 향상되어 왔다. 기계적 충격 파쇄기는 분사기류가 없고 그의 비교적 낮은 지진성 징후(seismic signature) 때문에 대부분의 작업현장의 준비에 이용될 수 있다. 일반적인 굴착용 기구로서, 기계적 충격 파쇄기는 고도의 파단구를 갖는 비교적 약한 암석층에 한정된다. (비구속 상태의 압축강도가 60 내지 80 ㎫ 이상인) 경질 암석층의 경우, 기계적 충격 파쇄기의 굴착 효과성이 저하되고 공구비트의 마모가 급격하게 증가한다. 기계적 충격 파쇄기는, 그 단독으로, 대규모의 경질 암석층의 지하면을 경제적으로 굴착할 수 없다.
소량-장입 발파 기술은 대규모의 경질 암석층을 포함하는 모든 암석층에서 이용될 수 있다. 소량-장입 발파는, 다수의 구멍 패턴을 천공하고, 장약을 구멍들에 장전하고, 수십 킬로그램 내지 수천 킬로그램의 발파제가 이용되는 각 구멍의 발파 시간을 조절하여 1×10-3초 씩 발파하는 것을 포함하는 종래의 천공 및 발파 작업과는 다르게, 소량의 발파제가 연소되는 방법을 포함한다.
소량-장입 발파는 기계류 및 구조물의 근처에서 용인될 수 없는 플라이락(flyrock)을 생성할 수 있으며, 바람직하지 못한 분사기류 및 소음을 발생시킬 수도 있다. 또한, 소량-장입 발파 기술은 정확성이 자주 요구되는 굴착에는 경제적으로 이용될 수 없다.
따라서, 천공, 잡석제거, 운송 및 지장지지 장비가 암석 분쇄작업 동안에 작업면에 그대로 유지될 수 있도록 저속 플라이락을 가지며 암석을 효율적으로 부수는 장치 및 방법을 필요로 하고 있다.
본 발명은 일반적으로 경질 암석 및 콘크리트를 굴착하기 위한 방법에 관한 것으로, 특히, 소량-장입 발파 및 충격 해머를 이용한 경질 암석 및 콘크리트의 굴착방법에 관한 것이다.
도1은 비구속 상태인 암석의 압축강도에 대한 (1) 통상의 기계적 파쇄기, (2) 전형적인 소량-장입 발파공정 및 (3) 상기 두 방법의 조합에 대한 생산율을 나타내며, 두 방법의 조합 성능이 별도로 적용된 두 방법의 합 보다 얼마나 더 큰가를 나타내는 그래프.
도2는 짧은 천공 구멍, 구멍 바닥에서 일정량의 발파제 및 점화수단을 수용하는 카트리지, 및 가스 생성물을 구멍의 바닥을 향해 집중시키기 위하여 구멍 속에 장입된 발파제를 스템밍하는(틀어막는, 밀봉하는) 수단을 나타낸 소량-장입 발파 공정의 일반적인 구성요소의 측단면도.
도3은 크레이터로부터 튀어나오는 파쇄된 암석 및 타격 및 크레이트 영역 아래에 남겨진 잔여 파쇄균열을 나타낸 소량-장입 발파공정에 의해 암석면에 형성된 크레이터의 측단면도.
도4는 두 개의 짧은 구멍이 뚫려져 소량-장입 발파 공정에 의해 발파된 암석면에서 구멍을 둘러싸는 암석이 제거되지 않은 형상을 개략적으로 도시한 것으로, 소량-장입 발파로 인한 구멍의 바닥 근처의 암석 속으로 진행된 큰 파쇄 균열 또는 파쇄 균열들, 및 다른 더 작은 잔여 파쇄균열을 나타내며, 어떻게 이웃한 파쇄 망상조직이 전체의 암석 구조를 약화시킬 수 있는지를 설명하는 측단면도.
도5는 언더캐리어에 부착된 관절형 붐 조립체에 장착된 파쇄기 조립체 및 파쇄기 공구비트를 나타낸 전형적인 충격 파쇄기의 측단면도.
도6은 기계적 충격 파쇄기의 공구비트가 암석면에 충격을 가하여 주위의 암석에서 파쇄 균열이 개시되게 하는 형상을 나타낸 암석면의 측단면도.
도7은 언더캐리어, 기계적 충격 파쇄기가 장착되는 붐, 및 소량-장입 발파 장치가 장착되는 붐을 나타낸 굴착시스템의 측단면도.
도8은 (1) 관절형 붐 조립체의 단부에 차례로 장착되는 인덱싱 메카니즘에 장착된 소량-장입 발파 장치의 측단면도 및 (2) 착암 드릴 및 소량-장입 발파 장치를 나타내는 인덱싱 메카니즘의 평면도.
상기한 그리고 다른 필요성이 본 발명에 의해 제출된다. 일실시예에서, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 경질 물질의 제어된 파쇄를 수행하는 방법을 제공한다. 상기 방법은
(a) 경질 물질의 자유 표면에 위치된 구멍의 바닥으로 가스를 유출시키는 단계;
(b) 구멍 바닥을 가압하기 위하여 구멍의 바닥에서 가스를 밀봉하고 파쇄 균열이 구멍 바닥으로부터 전파되게 하며, 그에 의해, 구멍을 둘러싸는 자유 표면에서 일부가 노출되는 경질 물질에 파쇄 부분을 형성하는 단계; 및
(c) 충격 파쇄기로 자유 표면에 노출된 파쇄 부분에 충격을 가하여 자유 표면으로부터 파쇄 부분을 제거하는 단계를 포함한다. 가스를 형성하기 위해 이용된 발파제의 양은 전형적으로 비교적 소량이다. 상기한 파쇄는 구멍 바닥, 구멍의 가압 영역을 가로지르는 기존의 파쇄 균열, 또는 구멍의 바닥 모서리부로부터 전파된 새로운 파쇄 균열이다.
상기 방법은 여러 가지 이점을 제공한다. 소량-장입 발파 및 충격 파쇄 기술의 조합은, 별도로 이용될 때의 각 효율에 비하여, 두 기술의 암석-분쇄 효율성을 증가시킨다. 소량-장입 발파 및 충격 파쇄 기술의 조합이용은 전형적으로, 특히 경질 물질에서 소량-장입 발파와 충격 파쇄 기술을 별도로 이용하는 다른 가능성보다 더 큰 체적의 암석이 더욱 짧은 시간 동안에 제거되도록 허용한다. 또한 두 기술의 조합은, 충격 파쇄 기술(즉, 굴착면의 형태를 마감하고 잡석 제거작업을 향상시키기 위해 굴착면에서 큰 암석조각을 분쇄하는 능력)의 이점과 함께, 소량-장입 발파(즉, 낮은 지진성 징후의 이용 및 적은 량의 플라이락)의 이점을 제공한다.
가스는 폭약의 폭발 또는 추진제의 연소에 의해 구멍의 바닥으로 방출될 수 있다. 소량-장입 발파는 개개의 구멍 또는 여러 구멍을 동시에 발파하는 것을 포함할 수 있다. 소량-장입 발파 방법의 지진징후는 일시에 이용된 소량의 발파제 때문에 비교적 낮다. 지하 소량-장입은, 이용된 방법에 따라 다르지만, 약 0.15 내지 약 0.5㎏의 발파제를 사용하여 전형적으로 약 0.3 내지 약 10 뱅크 입방미터의 제거를 수반한다. 표면 굴착, 소량-장입 및 표면 소량-장입 발파 기술의 경우, 발파당 암석 파쇄량 및 장입의 규모는 발파제를 약 1 내지 약 3㎏까지 증가시켜서 발파당 약 10 내지 약 100 뱅크 입방미터의 암석을 제거한다.
바람직하기로는, 충격 파쇄기가 약 0.5 내지 약 500㎏ 범위의 타격 에너지로 자유 표면의 파쇄부에 충격을 가한다. 충격 파쇄기의 타격 횟수는 전형적으로 초당 약 1 회 내지 초당 약 200 회 타격의 범위이다
바람직하기로는, 충격 단계가 방출 및 밀봉단계 바로 뒤에 수행된다. 상기한 기술은 한 구멍씩 또는 동시에 다수의 구멍에서 연속하여 채용될 수 있다.
본 발명은 소량-장입 발파공정 및 (유압 해머 또는 충격 리퍼(ripper)로서 공지된) 기계적 충격 파쇄기의 조립이용에 근거한다.
소량-장입발파 방법은, 다수의 구멍 패턴을 천공하고, (예를 들면, 굴착 표면에 약 20 내지 250톤 범위의 양으로) 구멍에 폭약을 장전하고, 각 구멍의 발파시간을 10-3초 차로 조절하여 발파하고, 환기 및 잡석을 제거하는 사이클을 포함하는 종래의 천공 및 발파 작업과는 다르게, 소량의 폭약을 이용하여 암석을 부수어 조각내는 것이다. 지하 굴착시에, 소량-장입 발파기술은 약 0.15 내지 0.5㎏ 범위의 발파제를 이용하여 약 0.3 내지 10 뱅크 입방미터(bank cubic meter) 범위의 물질을 제거하는 것이 바람직하고, 더 바람직하기로는, 약 0.15 내지 0.3㎏ 범위의 발파제를 이용하여 약 1 내지 10 뱅크 입방미터 범위의 물질을 제거하며, 약 0.15 내지 0.2㎏의 발파제를 이용하여 약 3 내지 10 뱅크 입방미터 범위의 물질을 제거하는 것이 가장 바람직하다. 지상 굴착시에, 소량-장입 발파 기술은 약 1 내지 3㎏의 발파제를 이용하여 약 10 내지 100 뱅크 입방미터 범위의 물질을 제거하는 것이 바람직하고, 더 바람직하기로는, 약 1 내지 2.5㎏의 발파제를 이용하여 약 15 내지 100 뱅크 입방미터 범위의 물질을 제거하며, 약 1 내지 2㎏의 발파제를 이용하여 약 20 내지 100 뱅크 입방미터 범위의 물질을 제거하는 것이 가장 바람직하다. 여기서, " 뱅크 입방미터 "는 제위치의 암석의 체적(㎥)이지, 암석면으로부터 제거되어 산개한 암석의 체적이 아니다.
소량-장입 발파는 개별적으로 구멍을 발파(shooting)하는 작업을 포함하지만, 여러 구멍을 동시에 발파하는 작업을 포함할 수 있다. 한 번에 이용되는 발파제가 소량이므로, 소량-장입 발파 방법의 지진성 징후는 비교적 낮다. 바람직한 발파제는 폭약 및 추진제를 포함한다.
소량-장입 발파를 위해 이용된 발파제의 전체 양이 약 2㎏ 또는 그 이하 정도임에도 불구하고, 다수의 구멍을 (약 1초 보다 짧은 전체 기간 내에) 동시에 천공 및 발파하는 것이 유익할 수 있다. 그러나, 여기서, 의도된 대부분의 소량-장입 발파 방법은 몇 분마다 짧은 구멍을 천공 및 발파하므로써 대체로 달성될 수 있다. 연속되는 소량-장입 발파 사이의 평균 시간은 약 0.5 내지 10분이 바람직하고, 더 바람직하게는, 약 1 내지 6 분이며, 약 1 내지 3분이 가장 바람직하다.
상기 소량-장입 발파기술은, 소량-장입 발파 기술에서 통상적으로 채택되는 것보다 더 깊은 천공 구멍을 채용하므로써 충격 파쇄기의 효율을 최적화하도록 개조될 수 있다. 상기 깊은 천공 구멍의 깊이는 보다 많은 파쇄된 암석이 암석면에서의 제위치에 잔류하도록 하므로써 플라이락(flyrock)의 에너지를 실질적으로 최소화한다. 소량-장입 발파기술이 충격 파쇄기술과 조합될 경우, 암석에서의 상기 구멍의 깊이는 구멍직경의 약 3배 내지 15배의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 일실시예에서, 파쇄된 암석의 많은 양이 암석면에서 제위치에 잔류한다. 전형적으로, 상기 장입된 발파제는 단지 암석을 파쇄하기에 충분한 에너지를 상기 암석에 제공할 뿐, 암석이 암석면으로부터 제거되도록 하지는 못한다. 바람직하기로는, 적어도 약 50%, 더 바람직하기로는, 적어도 약 75%, 가장 바람직하기로는 적어도 약 80% 의 파쇄된 암석이 제위치에 그대로 잔류하게 된다.
기계적 충격 파쇄기는 암석에 일련의 기계적 타격을 전달하므로써 작용을 한다. 파쇄된 암석과 파쇄기의 접촉면적은 약 500 내지 20,000 ㎡ 범위가 바람직하다. 타격 에너지는 수 킬로주울(KJ)의 범위 내이며, 해머 타격의 횟수는 초당 약 1 내지 100 회의 범위이다. 또한, 상기 기계적 충격 파쇄기는 파쇄되거나 부분적으로 제거된 암석을 조각내고, 들어올리고, 쪼개는데에 이용될 수 있다. 타격당 기계적 충격 파쇄기의 에너지는 약 0.5 내지 20 킬로주울이 바람직하며, 더 바람직하게는, 약 1 내지 15 킬로주울이며, 약 1 내지 10 킬로주울이 가장 바람직하다. 상기 기계적 충격 파쇄기의 타격 횟수는 초당 약 1 내지 100회가 바람직하며, 더 바람직하게는, 초당 약 5 내지 100회이며, 초당 약 25 내지 100회가 가장 바람직하다.
본 발명은 매우 효율적인 암석 파괴를 달성하도록, 소량-장입 발파 방법을 기계적 충격 파쇄기와 함께 상호 작용하도록 이용함으로써 암석 또는 콘크리트와 같은 다른 경질 물질을 부수며; 소량-장입 발파 공정과 관련한 플라이락을 엄격하게 제어하며; 지진성 징후를 낮게 하며, 굴착부분 외곽 주위를 정밀하게 제어하는 것을 포함한다. 상기 플라이락의 운동에너지는 킬로그램 당 약 0 내지 450 주울(J)이 바람직하고, 더 바람직하게는, 킬로그램 당 약 0 내지 100 주울이며, 킬로그램 당 약 0 내지 50 주울이 가장 바람직하다. 발파 지점 또는 충격 지점으로부터 10 미터 떨어진 지점에서 측정된 최고진동입자속도는 약 0 내지 30㎜/s가 바람직하고, 더 바람직하게는, 약 0 내지 15㎜/s이며, 약 0 내지 2 ㎜/s가 가장 바람직하다. 의도된 굴착부분 외곽으로부터 측정된 초과분쇄(overbreak)는 약 0 내지 150㎜가 바람직하고, 더 바람직하게는, 약 0 내지 100㎜이며, 약 0 내지 50㎜가 가장 바람직하다.
파쇄된 암석 및 대규모의 경질암석에서, 소량-장입 발파 및 기계적 파쇄기의 조합이용은 최적의 성능을 제공할 수 있다. 예를 들면, 가끔 발파가 암석을 완전히 깨뜨리지 못할 경우, 유압 파쇄기가 효과적이면서도 신속하게 암석 파쇄 및 제거를 완수할 수 있다. 많은 적용예에서, 작업자가 플라이락을 최소화하는 과소발파(undershoot)하는 경향이 있는 것이 예상된다. 따라서, 파쇄기의 기능은 암석의 파쇄를 완수하고; 파쇄된 암석을 바람직한 파편 크기로 조절하며; 굴착부분의 외곽을 마감하며; 작은 돌출부 및 소단부를 제거하는 것이다.
비교적 약한 파쇄된 암석층에서, 기계적 충격 파쇄기는 합당한 (단위 체적의 암석을 제거하기 위해 요구되는 에너지) 효율성 및 파쇄기 공구비트의 적절한 수명을 가진채로 단독적으로 운용할 수 있다. 상기 기계적 충격 파쇄기의 효율성은 소량-장입 발파 공정의 한 번 또는 몇 번의 발파를 이용하여 암석을 파쇄 및 약화시키므로써 향상될 수 있다. 필요하다면, 구멍의 중심부는 소량-장입 발파에 의해 완전히 제거되어 기계적 충격 파쇄기용 자유면을 추가적으로 형성시킬 수 있다. 소량-장입 발파공정에 요구되는 천공 구멍은, 암석이 제거되지 않은 채로 천공 구멍의 바닥 주위에 파쇄되어 있거나, 플라이락이 대단히 낮은 에너지로 제거되는 것을 보장하는 충분한 깊이로 천공될 수 있다. 비교적 연질의 파쇄 암석층에서, 기계적 충격 파쇄기가 대부분의 암석을 굴착하는데 일반적으로 이용될 것이다. 예를 들면, 소량-장입 발파는 암석의 약 20% 정도를 제거하는 반면 기계적 충격 파쇄기는 나머지 80%를 제거한다.
적당하게 강한 암석을 파쇄하는 경우, 굴착 효율성 및 기계적 충격 파쇄기의 공구비트 수명은 증가된 암석 경도, 감소된 파쇄, 및 종종 암석층의 이질성 손실의 결과로서 감소된다. 이런 상태에서, 소량-장입 발파 천공 구멍의 수는 굴착부분의 많은 부분을 약화 및/또는 제거시키도록 증가된다. 기계적 충격 파쇄기는 굴착부분의 중앙에 잔류하는 구속되지 않은 암석을 제거하는데 이용되며, 원하는 굴착부분의 외주 또는 마감선을 따라 굴착을 완수하도록 이용된다. 다시, 소량-장입 발파 공정에 요구되는 천공 구멍은 암석이 천공 구멍의 바닥부 주위에서 제거되지 않은 채로 파쇄되거나, 상기 암석이 매우 낮은 에너지의 플라이락으로 제거되는 것을 보장하는 충분한 깊이로 천공될 수 있다. 적당하게 강하며 일부분에 파쇄균열을 갖는 암석을 파쇄하는 경우, 상기 소량-장입 발파 및 기계적 충격 파쇄기는 굴착부분의 거의 동일한 양을 제거할 것이다.
상대적으로 매우 경한 대규모의 암석층의 경우에는, 기계적 충격 파쇄기만으로는 충분한 양의 암석을 파쇄하거나 또는 제거할 수 없으며, 공구비트의 수명이 실질적으로 단축되거나 소멸된다. 이런 경우에, 소량-장입 발파 또는 어떤 다른 수단이 상기 암석을 파쇄하는데 이용되어야 한다. 소량-장입 발파는 그자체로 대규모의 경질 암석층을 굴착할 수 있지만, 그의 굴착 효율성 역시 실질적으로는 감소된다. 더욱 경질인 암석에는 비교적 짧은 구멍이 천공되어야 한다. 상기 구멍이 너무 깊을 경우에는, 제거되는 암석이 전혀 없거나 조금 밖에 없을 수도 있다. 상기 구멍이 너무 짧을 경우에는, 플라이락의 에너지가 너무 높아 근처의 장비를 손상시킬 수 있다. 그러나, 소량-장입 발파를 위한 천공 구멍이 얕게 천공될 경우보다 오히려 깊게 천공될 경우에, 높은 에너지의 플라이락 발생이 거의 제거된다. 몇 번의 소량-장입 발파 후, 다음으로 기계적 충격 파쇄기가 대부분의 암석을 제거할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 이것은 소량-장입 발파에서의 발파가 천공 구멍의 바닥부 주위 영역에서 표층 파쇄의 망상조직을 생성시켜 기계적 충격 파쇄기가 적합한 공구비트의 수명을 가지고 그의 효율성을 회복하도록 암석을 충분하게 약화시켰기 때문이다. 대규모의 경질 암석층의 경우, 소량-장입 발파공정에서의 보다 많은 발파가 수행되어야 한다. 충격 해머의 타격량은 실제로 소량-장입 발파에 의해 얼마나 많은 암석이 제거되는지에 달려 있다. 굴착부분의 중심의 발파에 더하여, 소량-장입 발파가 굴착부분의 외주에 더 근접한 위치에서 수행되어야 한다. 기계적 충격 파쇄기가 그의 우수한 제어성 때문에, 원하는 마감을 제공하도록 이용된다.
소량-장입 발파 및 기계적 충격 파쇄기를 조합하여 이용하는 주된 관점은, 둘 다 이용하는 효율성이 어느 한 공정의 단독적 이용시의 효율보다 훨씬 크다는 것이다. 파쇄기는 소량-장입 발파 공정의 평균 수율을 효과적으로 향상시킨다. 상기 소량-장입 발파는 기계적 충격 파쇄기의 효율 및 공구 수명을 향상시키며 더 단단하고 덜 파쇄된 암석층에 대한 적용범위를 확대한다.
예를 들면, 약 60 ㎫ 내지 약 100 ㎫ 중에서 비구속 상태의 압축강도(USC)를 가지는 암석의 경우, 기계적 파쇄기는 단독으로 (암석 면에 거의 100㎾가 전달될 경우) 약 30 입방미터를 제거하는데 약 4시간 정도가 필요할 것으로 예상된다. 소량-장입 발파 공정은 단독으로 (발파당 거의 0.3㎏의 발파제가 이용될 경우(1MJ)) 약 30 입방미터를 굴착시키는데 약 2시간과 약 20회의 발파가 필요할 것으로 예상된다. 두 기술을 함께 이용할 경우, 30 입방미터의 굴착량은 기계적 충격 파쇄기로 ½시간 및 1시간이 소요될 수 있는 2회 또는 3회의 소량-장입 발파로 완수될 수 있다.
파쇄기가 전체작업의 75% 작업량에 이용될 때에, 상기 기계적 충격 파쇄기각 단독으로 굴착을 완수하는데 18MJ의 에너지를 소모하며 4시간이 소요된다. (상기 파쇄기가 최종 외곽을 제공하는데만 이용되어야 한다면) 상기 소량-장입 발파 단독으로 굴착을 완수하는데 20MJ의 에너지를 소모하며, 3시간이 소요된다. 상기 두기술의 조합이용은 굴착을 완수하는데 약 7.5 MJ과 1½ 시간이 소모된다.
또한 다른 예로서, 약 250 ㎫ 내지 300 ㎫의 비구속 상태의 압축강도(USC)를 갖는 암석의 경우, 기계적 파쇄기만으로 사실상 어떤 암석도 깨뜨릴 수 없다. 소량-장입 발파 공정은 단독으로 약 30 입방미터를 굴착시키는데 약 5시간과 약 60 회의 발파를 필요로 할 수 있다. 두 기술이 함께 이용될 경우, 30 뱅크 입방 미터의 굴착량은 소량-장입 발파에 의해 제거되지 않은 암석을 제거하고, 산개한 암석을 조각내어 줄이며, 굴착부분의 외곽을 마감시키는 기계적 충격 파쇄의 2시간 및 추가적인 2시간이 소요될 수 있는 약 15 내지 약 25의 소량-장입 발파로 완수될 수 있다.
(상기 파쇄기가 최종 외곽선을 제공하는데만 이용되어야 한다면) 상기 소량-장입 발파 단독으로 굴착을 완성하는데 60 MJ을 소모하고 6시간이 소요된다. 상기 두 기술의 조합이용은 굴착을 완성하는데 약 25 내지 35 MJ과 4 시간이 소모된다.
기계적 충격 파쇄기 단독이용; 소량-장입 발파 단독이용; 및 상기 두 기술의 조합이용에 대한 굴착 생산율의 비교가 도1에 도시된다.
따라서, 단독으로 적용된 각각의 성능의 합 이상으로 실질적으로 성능을 향상시키는 방식으로 기계적 충격 파쇄기 및 소량-장입 발파 방법의 두 기술을 조합함으로써, 본 발명은 기계적 충격 파쇄기 및 소량-장입 발파 방법의 현저한 성능 확장성을 나타낸다. 또한, 상기 조합이용은 단독으로 작용하는 각 방식의 중대 제한을 보상한다.
상기 두 방식을 조합함으로써, (시간당 파쇄된 암석의 입방미터로 측정된) 생산성은 바람직하게는 약 2 내지 10 정도의 인자에 의해, 보다 바람직하게는 약 3 내지 10 정도의 인자에 의해, 그리고 가장 바람직하게는 약 4 내지 10 정도의 인자에 의해 개별적인 각 방법의 이용하는 경우의 생산성 이상으로 증가된다.
상기 두 방식을 조합함으로써, 상기 기계적 충격 파쇄기의 성능이 약한 암석층에서 실질적으로 향상되고, 상기 기계적 충격 파쇄기가 단독으로 적용되어 경제적인 굴착율을 갖지 못하는 중간질 및 경질 암석층으로도 확장된다. 상기 두 방식을 조합함으로써, 기계적 충격 파쇄기의 공구비트 마모가 현저히 감소되며, 상기 암석이 선행된 소량-장입 발파에 의해 약해지므로 추가적인 자유 표면들이 조성된다.
상기 두 방식을 조합하므로써, 기계적 충격 파쇄기가 소량-장입 발파공정에서의 연속한 발파의 효과적인 배치를 방해하는 파쇄된 암석을 제거할 수 있으므로, 상기 소량-장입 발파의 평균 수율이 2 내지 10의 인자에 의해 현저하게 향상된다. 상기 두 방식을 조합하여, 소량-장입 발파 구멍을 더 깊게 천공하며, 그에 의해, 소량-장입 발파로 인한 플라이락의 에너지를 감소 또는 제거할 수 있다.
소량-장입 발파의 파괴 메카니즘
소량-장입 발파의 경우, 짧은 구멍이 암석에 천공되고, 소량의 발파제가 상기 구멍에 배치되며, 상기 장입된 발파제는 모래, 진흙, 자갈과 같은 적당한 물질 또는 금속봉에 의해 구멍속에서 막히거나 다져져 폐쇄되며, 상기 장입된 발파제는 기폭된다. 상기 장입된 발파제에 의해 방출된 가스는, 새로운 파쇄균열을 개시 및 전파시키거나 기존의 파쇄균열을 전파시키며, 그에 의해, 천공 구멍 주위 암석의 작은 체적을 굴착한다. 소량-장입 발파 공정의 주요 구성요소가 도2에 도시되어 있다.
상기 천공 구멍은 파쇄가 완수되도록 진행되는 것을 보장하는 방식으로 천공되며, 파쇄된 암석은, 도3에 도시된 바와 같이, 상당한 에너지로 암석의 표면으로부터 가속되어 떨어져 나간다. 이 경우에, 나머지 암석이 굴착된 크레이터(crater) 주위에 잔존하는 일부 파쇄균열을 포함하며, 상기 크레이트는 추가적인 자유 표면을 구성한다. 이들 특징 모두는 기계적 파쇄기의 성능을 향상시키도록 작용한다.
대안으로, 상기 구멍은 파쇄균열이 상기 표면으로 전파되는 것을 방지하는 방식으로 더 깊게 천공될 수 있으나, 만일에 파쇄균열이 표면까지 미치게 된다면, 파쇄된 암석의 파편을 가속시키기 위해 잔류하는 가스 에너지가 거의 없게 된다. 상기한 바와 같은 상태가 도4에 도시된다. 이 경우에, 상기 천공 구멍 주위의 암석은 상기 암석을 현저하게 약화시키고 기계적 파쇄기의 성능을 향상시키도록 작용할 파쇄균열 망상조직을 계속 유지시켜갈 것이다. 또한, 상기 표면으로 전파된 파쇄균열은, 암석이 들어올려져 이동되며, 조각나거나 쪼개질 수 있는 위치로서, 기계적 충격 파쇄기에 유효할 것이다.
소량-장입 발파의 기본 전제는, 다수의 구멍 패턴을 천공하고, 장약(폭약)으로 장전하고, 각 구멍의 발파 시간을 조절하여 발파하고, 환기 및 잡석을 제거하는 사이클을 포함하는 종래의 천공 및 발파 작업과는 다르게, 발파공정에서의 일련의 연속하는 발파에 의해 발파당 작은 체적의 암석을 제거하는 것이다. 소량-장입 발파에서의 발파당 제거된 암석의 양은 약 1/2 내지 약 3 입방미터의 범위이며, 발파들 사이의 시간 간격은 전형적으로 2 분 또는 그 이상이다.
소량-장입 발파를 달성하는 여러 가지 수단이 있으며, 이들은 반드시 한정되는 것은 아니지만, 다음의 사항을 포함한다 :
1. 종래의 천공 및 발파 기술을 이용한 짧은 구멍의 천공 및 발파. 상기 구멍의 바닥부분은 폭약으로 장전되어 모래 및/또는 자갈로 틀어 막혀진다. 이는 기존의 공지된 기본적인 천공 및 발파 작업을 근거로 한다.
2. 충격흡수 발파 기술을 채용한 짧은 구멍의 천공 및 발파. 여기서, 상기 구멍의 바닥부분에는 폭약이 암석으로부터 분리되어 장전되며 모래 및/또는 자갈로 틀어 막힌다. 또한, 이것은 기존의 공지된 천공 및 발파 작업을 근거로 한다.
3. " 소형의 경질 암석 및 콘크리트 물질을 파쇄하기 위한 장치 및 제어된 파쇄방법 "이란 명칭하에 미국특허 제5,098,163호(1992년 3월 24일)에서 구체화된 바와 같은 짧은 천공 구멍의 바닥부분을 가압하는 가스-인젝터의 이용.
4. " 소형의 경질 암석 및 콘크리트의 제어된 파쇄를 수행하는 장치 및 비폭발성 천공 구멍 가압방법 "이란 명칭으로 미국특허 제5,308,149호(1994년 5월 3일)에 구체화된 바와 같은 짧은 천공 구멍의 바닥부분을 가압하기 위한 챠지-인-더-홀(charge-in-the-hole)에 근거한 추진제의 이용.
5. " 천공 구멍 바닥의 폭발성 가압에 의해 경질 암석 및 콘크리트의 제어된 소량-장입 발파를 수행하는 장치 및 방법 "이란 명칭하에 기출원된 미국특허출원서에 구체화된 짧은 천공 구멍의 바닥부분을 가압하는 폭발성에 근거한 발파방법의 이용.
소량-장입 발파의 바람직한 방법은 암석층의 형태 및 기계적 파쇄기에 의해 최적 성능을 달성하기 위한 최상의 파쇄 패턴에 달려있다.
기계적 충격 파쇄기의 파괴 메커니즘
상기 기계적 충격 파쇄기는 일련의 고에너지 타격을 암석면에 가한다. 전형적인 기계적 충격 파쇄기는 도5에 도시된다. 개개의 타격 에너지는 수백 주울 내지 수십 킬로주울 범위내에 있을 수 있다. 타격의 횟수는 초당 수회 내지 초당 백회 이상일 수 있다. 각 타격은 자유 표면에서 반사되는 쇼크 스파이크(shock spike)를 암석 속으로 전파시켜 암석을 파쇄균열 개시하기 위한 필수조건을 조성하는 긴장상태에 놓이게 할 것이다. 또한, 각 타격은 기존의 파쇄균열을 확장시킨다. 강력한 쇼크 스파이크는, 지진파가 스파이크에 의해 영향을 받은 암석 체적을 가로지르는데에 요구된 시간에 비해 짧은 시간 동안에 압력의 상승 및 하강이 발생하는 예리한 희박파(rarefaction wave)를 즉시 뒤따르게 하는 강한 충격으로 구성된다. 이들 메커니즘은 도6에 도시된다. 또한, 일련의 타격은 암석에서 파괴를 강화시킬 수 있는 진동응력 패턴을 설정한다. 또한, 파쇄기의 공구비트는 부분적으로 벌어진 파쇄균열 속으로 밀어 넣어져 암석을 조각내거나 들어올려 이동시키데에 이용될 수 있다.
소량-장입 발파 및 기계적 충격 파쇄기를 조합한 이용법의 파괴 메커니즘
소량-장입 파쇄공법에서의 하나 또는 그 이상의 발파가 (1) 표층파쇄의 망상조직; (2) 추가적인 자유 표면; 또는 (3) 두 기술의 조합 중에 어느 하나를 형성하기 위하여 암석면 속으로 행해진다. 대개의 경우, 소량-장입 발파만의 이용은 파괴가 불완전한 몇몇 구멍을 야기하지만, 구멍 바닥 주위의 암석은 파쇄될 수도 있다. 다음의 구멍은, 그의 바닥에서 발달된 압력이 이전에 형성된 표층 파쇄균열 속으로 조기에 배출하며, 그에 의해 발파의 파괴력을 감소시킬 수 있는 상황을 피하도록 충분하게 떨어져 위치되어야 할 것이다. 이런 상황은, 파쇄균열이 표면에 도달하여 암석이 전체적으로 제거되는 것을 보장하는 더 짧은 구멍을 천공하므로써 감소되거나 배제될 수 있다. 그러나, 상기한 더 짧은 구멍의 천공은, 실질적인 가스 에너지량이 충분한 에너지를 갖는 플라이락을 생성하도록 파쇄된 암석을 가속시켜서 근처의 장비를 손상시킬수 있는 상황으로 이끌수도 있다.
소량-장입 구멍이 암석을 제거하지 않고도 구멍 바닥주위의 암석을 파쇄하기에 충분한 (구멍에 못미쳐 발파하는 것과 동일한) 깊이를 가지면, 그 다음으로, 기계적 충격 파쇄기가 고에너지 플라이락의 위험없이 암석을 제거하는데에 이용될 수 있다. 이런식으로, 암석면에는 비구속 상태의 암석이 나타나지 않으므로, 소량-장입 발파의 다음 발파가 적합한 암석 속에 위치될 수 있으며, 그에 의해, 압력의 조기 배출의 가능성을 감소시키게 된다.
따라서, 소량-장입 발파의 이용은, 파쇄기가 효과적으로 운용될 수 있는 암석 강도의 범위로 연장된다. 파쇄기는 소량-장입 발파의 효율성을 감소시키는 비구속 상태의 암석을 제거하고 고에너지 플라이락의 발생을 방지하는 것을 도울 수 있다.
조합된 시스템의 구성요소
기계적 충격 파쇄기/소량-장입 발파의 조합의 기본 구성요소는 아래와 같다:
■ 붐(boom) 조립체 및 언더캐리어(undercarrier)
■ 기계적 충격 파쇄기
■ 착암 드릴
■ 소량-장입 발파 메커니즘
■ 인덱싱(indexing) 메커니즘
시스템의 기본 구성요소는 도7에 계락적으로 도시된다. 이하, 여러 구성요소의 특징을 설명한다.
붐 조립체 및 언더캐리어
캐리어는 표준 광산 또는 건축용 캐리어, 또는 하나 또는 다수의 붐 조립체를 장착하기 위해 특수하게 설계된 캐리어일 수 있다. 수갱굴착(shaft sinking), 갱내 채굴장 굴착(stope mining), 협소 암맥 굴착(narrow vein mining) 및 참호, 진지 구축, 및 파괴용 폭약설치를 위한 특수한 캐리어가 건조될 수 있다.
전형적으로, 두 개의 붐 조립체가 요구된다. 하나는 기계적 충격 파쇄기를 장착하는데 이용되며, 다른 하나는 소량-장입 발파 장치를 장착하는데 이용된다. 상기 붐 조립체는 표준 광산 또는 건축용 관절형 붐 또는 어떤 개조되거나 주문 제작된 붐으로 구성될 수 있다. 상기 붐 조립체의 기능은 파쇄기 또는 소량-장입 발파 장치를 원하는 위치로 향하도록 위치시키는 것이다. 소량-장입 발파 장치의 경우, 붐 조립체는 인덱서 조립체를 장착하는데 이용될 수 있다. 상기 인덱서는 착암 드릴 및 소량-장입 메카니즘을 유지하고, 착암 드릴 및 소량-장입 메카니즘과 일직선으로 정열된 축에 대하여 회전한다. 착암 드릴로 암석면에 짧은 구멍을 천공한 다음, 천공 구멍으로의 소량-장입 메커니즘의 용이한 삽입을 위하여, 상기 인덱서가 회전하여 소량-장입 메카니즘을 정렬시킨다. 인덱서 조립체는 착암 드릴 및 소량-장입 메카니즘을 위한 별도의 붐의 필요성을 배제한다. 또한, 상기 붐 및 인덱서의 질량은 천공기 및 소량-장입 메카니즘의 반동질량 및 안정성을 제공하는데 도움이 된다.
기계적 충격 파쇄기
기계적 충격 파쇄기는 유압 해머, 고에너지 유압 해머 또는 충격 리퍼(ripper)로서 역시 알려져 있다. 처음에는, 이들 기계적 충격 파쇄기가 공기역학적으로 동력이 공급되어 표석(boulder)의 분쇄 및 콘크리트 해체 작업에 주로 이용되었다. 그 후, 유압 동력이 도입되어 타격 에너지 및 타격 회수 모두가 증가되었다. 기계적 충격 파쇄기의 동력이 증가되므로써, 그것들은 지하 건설 및 채광 작업에 이용되었으며, 종종 연질의 파쇄 암석을 굴착하기 위해 백호우(backhoe)와 함께 이용되었다. 충격 리퍼라고 불리는 기계적 충격 파쇄기의 형태는 협맥 광산에서의 채광 작업을 위해 남아프리카에서 발전되었다. 기계적 충격 파쇄기는 상기 파쇄기를 원하는 방향으로 지향시키고, 전형적으로, 언더캐리어를 작업 동안 발생된 진동으로부터 격리시킬 수 있는 자체의 붐 조립체 상에 장착된다. 또한, 기계적 충격 파쇄기는 여러 암석 상태에 응하여 타격 에너지 및 횟수를 조절하기 위한 피드-백 제어를 내장할 수도 있다.
착암 드릴
상기 드릴은 드릴 모터, 드릴 강봉 및 드릴 비트로 이루어지며, 상기 드릴 모터는 공압 또는 유압에 의해 동력이 공급될 수 있다. 바람직한 드릴 형식은, 충격식 드릴이 구멍바닥의 파쇄를 위한 시작점으로 작용하는 천공 구멍의 바닥에 미세한 파쇄균열을 생성시키므로, 바람직한 드릴의 형태는 충격식 드릴이다. 또한, 로터리(rotary), 다이아몬드 또는 다른 기계적 드릴이 이용될 수 있다.
표준 드릴 강봉이 이용될 수 있으며, 이들 강봉은, 소량-장입 발파 공정이 요구하는 짧은 구멍의 필요조건에 부응하도록 단축될 수 있다.
일반적인 채광 또는 건설용 드릴 비트가 구멍을 천공하는데 이용될 수 있다. 미세 파쇄를 향상시키는 충격식 드릴 비트가 개발될 수 있다. 천공 구멍의 크기는 직경이 1인치 내지 20인치 범위이며, 그 깊이는 전형적으로 구멍직경의 3배 내지 15배의 깊이이다.
소량-장입 메카니즘의 보다 용이한 삽입을 위한 단차진 구멍을 형성하는 드릴 비트가 리머(reamer) 비트의 직경보다 약간 큰 직경을 갖는 파이롯트(pilot) 비트로 이루어지며, 착암 드릴 제작자에 의해 제공된 표준 비트 형상이다. 소량-장입 메카니즘의 보다 용이한 삽입을 위한 테이퍼진 구멍을 형성하는 드릴 비트가 리머 비트의 직경보다 약간 큰 파이롯트 비트로 구성될 수 있다. 상기 리머 및 파이롯트 비트는 보다 크게 리머가공된 구멍으로부터 보다 작은 파이롯트 구멍까지 테이퍼진 변화를 제공하기 위해 특별히 설계될 수 있다.
소량-장입 발파 메카니즘
상기 소량-장입 발파 메카니즘은 다음의 부-시스템으로 구성될 수 있다 :
1. 카트리지 메거진(catridge magazine)
2. 카트리지 장전 메카니즘
3. 카트리지
4. 카트리지 점화 시스템
5. 스템밍(틀어 막음) 및 밀봉 수단
카트리지 메거진 - 추진제 또는 폭약 카트리지는 자동 장전 총포용 탄약 메거진 방식으로 메거진 내에 적재된다.
카트리지 장전 메카니즘 - 상기 장전 메카니즘은 메거진으로부터 카트리지를 꺼내어 천공 구멍 내로 삽입시키는 일반적인 기계장치이다. 아래에 기재된 상기 스템밍 바(bar)는 상기한 기능 일부 또는 전체를 제공하는데 이용될 수 있다.
장전 메카니즘은 카트리지를 10초 정도의 시간내에 메거진으로부터 천공 구멍까지 카트리지를 순환시켜야 하고, 전형적으로 30초 또는 그 이상의 시간내에 순환시켜야 할 것이다. 이것은 현대의 고속 발파율을 갖는 자동 장전 총포에 비해 느리므로 높은 가속 하중을 카트리지에 부과하지 않는다. 군사용 자동 장전 기술 또는 산업용 병 및 용기 취급시스템의 변형예가 이용될 수 있다.
하나의 변형예는, 카트리지가 1/10 (bar) 기압 정도의 압력차이에 의해 단단한 또는 유연한 튜브를 통하여 추진되는 충격식 운반 시스템이다.
카트리지 - 상기 카트리지는 발파제(폭약 또는 추진제)를 수용하는 용기이며, 파라핀 종이, 플라스틱, 금속 또는 상기 세 가지의 조합을 포함하는 여러 재료로 형성된다. 카트리지의 기능은 다음과 같다.
■ 고체 또는 액체 상태의 발파제의 저장용기로서 역활하며,
■ 발파제를 저장 메거진으로부터 굴착 사이트로 운송하는 수단으로 이용되며,
■ 천공 구멍에 삽입하는 동안 발파제를 보호하고,
■ 필요하다면, 발파제를 위한 연소실로 쓰이며,
■ 필요하다면, 구멍 바닥에서 발달된 압력을 제어하는 내부 체적을 제공하며,
■ 젖은 천공 구멍 내에서 수분으로부터 발파제를 보호하며,
■ 발파제로 인한 강력한 충격현상으로부터 스템밍 바를 격리시켜 보호하며,
■ 천공구멍에서 발파제가 연소될 때, 발파제 생성가스에 대한 백업 밀봉 메카니즘을 제공한다.
카트리지 점화 시스템 - 폭약으로 구성된 발파 메카니즘의 경우, 일반적 또는 새로운 폭약 기폭 기술이 채용될 수 있다. 이들은 직류 펄스 또는 유도 전류펄스에 의해 점화되는 순간 전기 발파뇌관; 비전기적 발파 뇌관; 레이저 펄스가 광감성 뇌관 장약을 기폭시키는 고에너지 뇌관 또는 광학 뇌관을 포함한다.
추진제로 구성된 발파제의 경우, 일반적 또는 새로운 추진제 기폭 기술이 채용될 수 있다. 이들은 기계적 헤머 또는 발화 핀이 뇌관 장약을 폭발시키는 타격 뇌관; 축전기 방전 회로가 장입 뇌관을 폭발시키기 위한 불꽃을 제공하는 전기 뇌관; 전지 또는 축전기의 방전이 백열 전선(glow wire)을 가열하는 열 뇌관; 또는 레이저 펄스가 광감성 뇌관 장약을 기폭시키는 광학 뇌관을 포함한다.
스템밍(틀어 막음) 또는 밀봉 수단 - 여기서, 의도된 소량-장입 발파 방법의 경우, 상기 발파제는 짧은 천공 구멍의 바닥에 위치되며, 천공 구멍의 상부는 이용된 소량-장입 방법에 따른 여러 수단에 의해 막히거나(틀어 막힘) 밀봉된다. 스템밍 수단의 기능은 암석의 파쇄를 일으키기에 충분한 (전통적으로, 수백 마이크로초(㎲) 내지 수 밀리초(10-3s)) 기간 동안 구멍 바닥의 발파제로부터 방출된 고압가스를 관성적으로 수용하는 것이다.
종래의 천공 및 발파 기술을 이용하여 짧은 구멍을 천공 및 발파하는 경우, 구멍의 바닥부분은 장약이 장전되고, 모래 및/또는 자갈 또는 다음에 기술되는 바와 같은 관성 스템밍 바에 의해 막힐 수 있다.
충격 흡수 발파 기술을 채용하여 짧은 구멍을 천공 및 발파하는 경우, 상기 구멍의 바닥부분은 암석으로부터 분리된 장약이 장전되고, 모래 및/또는 자갈 또는 다음에 기술되는 관성 스템밍 바에 의해 막힐 수 있다.
(미국특허 제5,098,163호) 가스-인젝터 또는 (미국특허 제5,308,149호) 추진제에 근거한 챠지-인-더-홀 방법 또는 (" 천공 구멍의 바닥부분의 폭발 가압에 의해 경질의 암석 및 콘크리트를 제어된 소량-장입 발파공정으로 파쇄하기 위한 장치 및 방법"이란 명칭 하에 미합중국 특허 가출원된) 폭약에 근거한 방법의 경우, 암석이 파쇄될 때까지 고압 가스가 구멍 바닥에 수용되는 근본적인 방법은 스템밍 바와 천공 구멍벽 사이의 작은 누출경로를 제외하고 천공구멍 상측으로의 가스 흐름을 막는 육중한 관성 스템밍 바에 의한 것이다. 상기 작은 누출은 발파제를 수용하는 카트리지 및 스템밍 바의 설계 특징들에 의해 한층 더 감소될 수 있다. 상기 스템밍 바는 고강도 강 또는 고밀도 및 관성량, 변형 없이 압력하중을 견디는 강도 및 강인한 내구성을 겸비한 다른 물질로 이루어질 수 있다.
인텍싱 메카니즘 - 상기 착암 드릴 및 소량-장입 발파 메카니즘은 기계적 충격 파쇄기와는 분리된 붐에 차례로 장착된 인덱싱 유닛에 장착된다. 상기 인텍싱 메카니즘의 기능은, 천공 구멍이 형성되도록 하여 소량-장입 메카니즘이 천공 구멍에 용이하게 정렬되고 삽입되도록 하는 것이다. 전형적인 인덱싱 메카니즘이 도8에 도시되어 있다. 상기 인덱서는, 상기 인덱서가 암석 표면으로부터 원하는 각도 및 거리로 위치되게 하는 유압 커플러에 의해 그의 붐에 부착된다. 먼저, 상기 인덱서는 착암 드릴이 암석 표면 속으로 짧은 구멍을 천공할 수 있도록 위치된다. 다음, 상기 인덱서는 상기 드릴 및 소량-장입 메카니즘의 공통 축에 대하여 회전되어 소량-장입 메카니즘이 천공 구멍에 대하여 일직선으로 정렬된다. 그 후, 상기 소량-장입 메카니즘은 구멍에 삽입되어 발파될 준비가 된다.
적용예
콘크리트 뿐만아니라 연질, 중간질 및 경질의 암석을 부수는 방법은 광산, 건설 및 채석산업 및 군사 작전에 많이 적용되며, 이들은 다음을 포함한다:
■ 터널 파기(tunneling)
■ 땅굴 파기(cavern excavation)
■ 수갱 굴착(shaft-sinking)
■ 광산에서의 수평갱도(adit and drift) 개발
■ 장벽 굴착(long wall mining)
■ 채탄공간 및 광주 굴착(room and pillar mining)
■ 갱내 채굴장 굴착 방법(단축(shrinkage), 절성토(cut & fill) 및 협맥(narrow-vein))
■ 선택 굴착(selective mining)
■ 수직 크레이터 피난처(VCR: vertical crater retreat) 굴착을 위한 언더컷 개발
■ 블록 굴착(block caving) 및 단축 갱내 채굴장 굴착(shrinkage stoping)을 위한 드로우-포인트(draw-point) 개발
■ 2차 파괴(breakage) 및 특대의 감소
■ 도랑파기
■ 상승 보링(raise-boring)
■ 쇄석(rock cuts)
■ 정밀 발파
■ 파괴
■ 노출 피트 벤치(open pit bench) 제거
■ 노출 피트 벤치 발파
■ 채석장의 표석 파괴(boulder) 및 벤칭(benching)
■ 암석에서의 전투 진지 및 개인 참호의 구축
■ 군사 기동 훈련에서의 자연 및 인공 장애물의 제거
굴착된 암석의 시간 당 뱅크 입방미터로서 표현되는 평가된 생산율(1)은 도1에서 메가파스칼(㎫)로 표현되는 암석의 비구속 상태의 압축 강도(2)의 함수로 도시된다. 전형적인 기계적 충격 파쇄기의 성능은 빗금친 영역(3)으로 보여지고 상기 기계적 충격 파쇄기는 비구속 상태의 압축 강도가 약 150㎫ 이상인 상태에서는 암석을 굴착하지 않는 것을 나타낸다. 표시된 데이터 포인트(4)들은 빗금친 영역(3)에 보여진다. 전형적인 소량-장입 발파 공정의 성능은 빗금친 영역(5)으로 보여지며 소량-장입 발파는 전형적인 암석 굴착 산업의 비구속 상태의 압축 강도의 범위에 걸쳐서 암석을 굴착할 수 있음을 나타낸다. 표시된 데이터 포인트(6)가 빗금친 영역(5)에 도시된다. 상호적으로 작용하는 소량-장입 발파 공정과 기계적 파쇄기의 조합성능이 빗금친 영역(7)에 도시되며, 조합이용이 개별적으로 작용하는 두 방법의 합보다 더 효과적으로 굴착한다. 실험적으로 결정된 데이터 포인트(8)가 빗금친 영역(7)에 도시된다.
소량-장입 발파 시스템의 구성요소는 도2에 도시된다. 짧은 구멍(9)은 착암 드릴에 의해 암석면에 천공된다. 천공 구멍(9)은 리머/파이롯트 드릴 비트의 조합에 의해 달성될 수 있는 단차진 직경 변화(11)를 가질 수 있다. 상기 단차진 직경(11)은 카트리지 삽입 수단의 최대 움직임을 제한할 목적에 이바지 할 수 있거나 구멍 바닥(12)에서 방출된 가스를 밀봉시키는 것을 돕도록 이용될 수 있다. 카트리지(13)는 구멍 바닥(12)에 배치된다. 카트리지(13)는 장입된 발파제(14)를 수용한다. 상기 발파제(14)의 연소는 스템밍 바(17)를 관통하는 전기 또는 광학 통신선(16)을 통하여 원격적으로 제어되는 점화수단(15)에 의해 개시된다. 상기 스템밍 바(17)는 발파제(14)의 점화시에 구멍 바닥(12)에서 방출된 고압 가스를 관성적으로 구속하는데 이용된다. 또한, 상기 스템밍 바(17)는 구멍 바닥(12)을 둘러싸는 암석에서 주요 파쇄균열(18) 및 잔여 파쇄균열(19)을 발전시키는데 필요한 기간 동안 고압 가스가 구멍 바닥(12)으로부터 누설되는 것을 방지하는 밀봉 작용을 제공할 수도 있다.
도3은 비교적 짧은 구멍이 천공되고 상기 구멍이 "과잉발파(overshot)"되는 소량-장입 발파공정의 발파에 대한 암석 전체의 파쇄 공정을 도시한다. 구멍은 암석 표면(21) 에 천공되어 있다. 천공 구멍의 바닥(22)은 굴착된 발파 구멍(23)의 바닥 중심에 나타비트 수 있다. 파쇄된 자갈(24)은 발파제에 의해 발생된 가스의 가속 작용으로 인해 상기 발파 구멍으로부터 강력하게 튀어나온다. 잔여 파쇄균열(25)은 발파 구멍의 벽 아래쪽 암석(26)에 잔류된다.
도4는 비교적 깊은 구멍이 천공되고 상기 구멍이 "과소발파(undershot)"되는 소량-장입 발파공정의 발파에 대한 암석 전체의 파쇄 공정을 도시한다. 구멍(27,28)은 암석 표면(29) 내에 천공된다. 상기 암석은 소량-장입 발파에 의해 제거되지만 주요 파쇄균열(30) 및 잔여 파쇄균열(31)이 암석(32)에 만들어진다. 이들은 전체 암석의 구조를 약화시키는 표층면의 파쇄균열의 망상조직을 형성한다. 이 암석은 다음의 소량-장입 발파 또는 기계적 충격 파쇄기에 의해 더욱 용이하게 부숴질 것이다.
전형적인 현대의 기계적 충격 파쇄기는 도5에 도시된다. 상기 기계적 충격 파쇄기의 하우징(33)은 관절형 붐 조립체(34)에 부착되며, 이것은 하부 운반차(35)에 차례차례 부착된다. 상기 공구비트(36)은 파쇄기 하우징(33) 내의 유압 피스톤 메카니즘에 의해 동력이 제공된다. 상기 언더캐리어(35)는 작업면의 범위 내에서 파쇄기(33)을 이동시키고, 공구비트(36)이 암석면에 작용될 수 있도록 붐(34)이 파쇄기(33)를 위치시킨다.
도6은 기계적 충격 파쇄기의 기본적인 파괴 메카니즘을 도시한다. 공구비트(37)이 암석면(38) 상에 충격을 가하는 순간이 도시되어 있다. 상기 암석 표면(38)은 기존의 파쇄균열(39)을 내포한다. 암석 표면의 왼쪽에는, 자유면(40)이 있다. 공구비트(37)의 충격에 의해 발생된 쇼크 스파이크는, 추가적인 파쇄가 개시될 긴장상태(41)에 있는 암석의 영역을 생성시키는 기존의 파쇄균열(39)의 표면으로부터 장력파(tensile wave)로서 방사 및 반사한다. 또한, 상기 쇼크 스파이크는, 추가적인 파쇄가 개시될 긴장상태(42)에 있는 암석의 제2영역을 생성시키는 자유 표면(40)으로부터 장력파로서 방사 및 반사한다. 상기 공구 비트(37)에 의해 충격 타격이 반복된 후에, 상기 영역(41,42)에서 개시된 파쇄균열은 연결되어 영역(43)으로 표현된 암석 덩어리를 제거할 것이다.
소량-장입 발파 시스템과 기계적 충격 파쇄기를 조합한 이용에 근거한 암석 굴착 시스템은 도7에 도시된다. 언더캐리어(46)에 부착된 두 관절형 붐 조립체(44,45)가 있다. 상기 붐 조립체(44)는 그 위에 장착된 기계적 충격 파쇄기(47)를 가진다. 상기 붐 조립체(45)는 그 위에 장착된 소량-장입 발파 장치(48)를 가진다. 작업면으로부터 부서진 자갈을 굴착기를 통하여 운송 시스템(도시되지 않음)으로 통과시키는 컨베이어 시스템(50)으로 부서진 암석을 이동시키는 백호 부착물(49)이 굴착기 상에 선택적인 장비로서 도시된다.
소량-장입 발파 장치를 위한 전형적인 인덱싱 메커니즘은 도8에 도시된다. 상기 인덱싱 메커니즘(51)은 관절형 붐(53)에 소량-장입 발파 장치(52)를 연결한다. 착암 드릴(54) 및 소량-장입 삽입 메카니즘(55)은 상기 인덱서(51) 상에 장착된다. 상기 붐(53)은, 착암 드릴(54)이 암석 표면(도시되지 않음) 내로 짧은 구멍(도시되지 않음)을 천공할 수 있도록 암석 표면에 인덱서 조립체를 위치시킨다. 상기 착암 드릴(54)이 구멍으로부터 후퇴하면, 상기 인덱서(51)는 천공 구멍의 축과 일치하도록 소량-장입 삽입 메카니즘(55)을 정렬하기 위하여 유압 메카니즘(57)에 의해 그의 축(56)에 대해 회전된다. 이때, 상기 소량-장입 삽입 메카니즘(55)은 천공 구멍 내로 삽입되고 소량-장입은 점화할 채비를 갖춘다.
이상에서, 본 발명의 여러 가지 실시예가 자세히 기재되었지만, 상기한 실시예들의 변형 및 개작은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 명백할 것이다. 그러나, 상기한 변형 및 개작은 본 발명의 다음 청구항의 기술적 사상 및 범주 내에 포함되는 것으로 이해 되어져야 한다.

Claims (11)

  1. (a) 경질 물질의 자유 표면에 위치된 구멍의 바닥으로 가스를 방출시키는 단계;
    (b) 구멍 바닥을 가압하기 위하여 구멍의 바닥에서 가스를 밀봉하고 파쇄 균열이 구멍 바닥으로부터 전파되게 하며, 그에 의해, 구멍을 둘러싸는 자유 표면에서 그 일부가 노출되는 경질 물질의 파쇄 부분을 형성하는 단계; 및
    (c) 충격 파쇄기로 자유 표면에 노출된 파쇄 부분 충격을 가하여 자유 표면으로부터 파쇄 부분을 제거하는 단계
    를 포함하여 이루어진 경질 물질의 제어된 파쇄를 수행하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구멍이 구멍직경의 약 3배 내지 약 15배 범위인 자유 표면으로부터의 깊이 및 직경을 갖는 경질 물질의 제어된 파쇄를 수행하기 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 파쇄 부분이 지하 굴착의 경우 약 0.3 내지 약 10 뱅크 입방미터 범위이며, 지상 굴착의 경우 약 10 내지 약 100 뱅크 입방미터 범위인 체적을 갖는 경질 물질의 제어된 파쇄를 수행하기 위한 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스가, 지하 굴착의 경우 약 0.15 내지 약 0.5㎏ 범위이며, 지상 굴착의 경우 약 1 내지 약 3㎏ 범위의 양을 갖는 폭약 및 추진제 중에 적어도 하나에 의해 형성되는 경질 물질의 제어된 파쇄를 수행하기 위한 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 충격 파쇄기가 약 0.5 내지 약 500㎏ 범위의 타격 에너지로 상기 파쇄 부분에 충격을 가하는 경질 물질의 제어된 파쇄를 수행하기 위한 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    (d) 자유 표면으로부터 파쇄 부분을 제거하는데 필요한 단계인 (c)를 반복하는 단계를 더 포함하는 경질 물질의 제어된 파쇄를 수행하기 위한 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 충격 파쇄기의 타격 횟수가 초당 약 1 회 내지 초당 약 200 회 범위인 경질 물질의 제어된 파쇄를 수행하기 위한 방법.
  8. (a) 경질 물질의 자유 표면에 위치된 구멍의 바닥으로 가스를 방출시키는 단계;
    (b) 구멍 바닥을 가압하기 위하여 구멍의 바닥에서 가스를 밀봉하고 파쇄 균열이 구멍 바닥으로부터 전파되게 하며, 그에 의해, 구멍을 둘러싸는 자유 표면에서 경질 물질의 파쇄 부분을 형성하는 단계; 및
    (c) 적어도 약 0.5 KJ의 타격 에너지 및 적어도 초당 1 회의 타격 횟수로 자유 표면에 접촉하는 무딘 물체로 자유 표면에 노출된 파쇄 부분에 충격을 가하여 자유 표면으로부터 파쇄 부분에서의 물질을 제거하며, 충격 파쇄기로 자유 표면에 노출된 파쇄 부분에 충격을 가하여 자유 표면으로부터 파쇄 부분을 제거하는 단계
    를 포함하여 이루어진 경질 물질의 제어된 파쇄를 수행하기 위한 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 파쇄 부분과의 상기 무딘 물체의 접촉 면적이 약 500 ㎟ 내지 약 20,000 ㎟ 범위인 경질 물질의 제어된 파쇄를 수행하기 위한 방법.
  10. (a) 경질 물질의 자유 표면에 위치된 구멍의 바닥으로 가스를 방출시키는 단계;
    (b) 구멍 바닥을 가압하기 위하여 구멍의 바닥에서 가스를 밀봉하고 파쇄 균열이 구멍 바닥으로부터 전파되게 하며, 그에 의해, 구멍을 둘러싸는 자유 표면에서 경질 물질의 파쇄 부분을 형성하는 단계; 및
    (c) 적어도 약 0.5 KJ의 타격 에너지로 자유표면에 접촉하는 기계적 충격 파쇄기로 자유 표면에 노출된 파쇄 부분에 충격을 가하여 자유 표면으로부터 파쇄 부분에서의 상기 물질을 제거하는 단계
    를 포함하여 이루어진 경질 물질의 제어된 파쇄를 수행하기 위한 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 충격 파쇄기의 타격 횟수가 적어도 초당 1 회인 경질 물질의 제어된 파쇄를 수행하기 위한 방법.
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