서 론
초기의 수압파쇄는 가스나 석유와 같은 에너지자원 생산을 증가하기 위하여 개발되었다(Ouchterlony, 1972). 수압파쇄에 의해 생성되는 균열과 균열 생성에 필요한 응력은 암반의 지중 응력 방향 및 크기와 밀접한 관계를 지니기 때문에(Haimson, 1978; Choi et al., 1999; Haimson et al., 2003; Chang et al., 2014), 수압파쇄는 지중 응력 측정과 지열 개발 등으로 응용 범위가 넓어지고 있다. 암반 수압절개 기술은 수압파쇄의 기본적인 이론을 바탕으로 자유면에서의 수압파쇄균열의 방향과 연장을 제어함으로써 암반 절개에 효율적으로 사용하는 방법이다.
응력 측정을 위해 일반적으로 시추공의 무결암 구간에서 수행하는 수압파쇄실험과는 달리, 지표면 또는 지표면 근처에서 수행하는 수압암반절개 기법은 풍화와 불연속면 발달 등과 같은 암반의 지질공학적 특성을 고려하여 수압에 의해 생성되는 균열의 방향 및 연장성을 제어하여야 한다. 이 연구에서는 시추공벽에 여러 방향의 유도홈을 생성하여 수압파쇄 균열의 방향을 제어하고자 한다. Choi and Lee(1995)는 수압파쇄 모델 실험을 통하여 인공슬롯에 따른 수압파쇄 균열의 거동 특성 등을 연구하였으며, Mun et al.(2014)은 수압파쇄 모델에서 유도홈을 이용하고 유도홈 개수의 증가로 더 효과적인 균열 발생 결과를 나타낼 수 있으며, Lee et al.(2016)는 고압수 접촉상태가 수압파쇄에 미치는 영향으로 유도홈에 의한 응력집중의 효과가 수압파쇄에 더 효율적인 것으로 연구되었다. 또한, 수압파쇄과정에서 균열진전 양상 등을 수치해석 상으로 보면, 시추공 벽면에 위치한 미세균열은 주입압에 의하여 기존의 균열 방향으로 전파하면서 기존의 균열과 결합하게 되며, 이러한 파괴 거동이 다시 진전되는 양상을 보였다(Kim et al., 2011).
자유면에서 수압암반절개 기술은 시추공 내에 유도슬롯을 생성하고 수압파쇄의 원리를 응용한 것이며 암반을 절개할 방향으로 유도슬롯을 생성한 후 고압 및 대용량의 물을 시추공 내에 주입하여 암반을 절개시키는 기술이다. 이 기술은 일반적인 터널공사 및 채석장에서 발생되는 발파 소음, 진동 및 분진과 같은 환경적인 저해요소가 없이 암반을 굴착할 수 있다. Park and Lee(2016)은 석회암과 화강섬록암 지역에서 수압암반절개에 대한 현장 실험을 하였으며, Park et al., (2017), Park et al., (2019)은 흑운모화강암지역에서 시추공 내에 있는 유도슬롯에 수압을 가하여 암반 균열 방향을 제어하는 현장 실험을 통해 그 가능성을 제시하였다.
본 연구에서는 자유면에서 수압에 의한 암반절개에 필요한 수압공급장치 및 고압의 워터젯 장치를 구동장치 위에 탑재하고 시추공 내에 유도슬롯 생성 및 패커 삽입을 기계장치를 제작하여 수압암반절개에 대한 현장 실험을 하였다. 본 현장 실험에서는 시추공 내에 인공슬롯을 원하는 방향으로 생성하고 이중 패커의 압력에 의한 균열 발생과 인터벌 수압과 유량에 의한 균열 발생 등을 연구하고자 한다.
수압암반절개 장치 및 기술
수압파쇄균열의 생성은 암반 인장강도와 지중 응력에 영향을 받으며, 수압파쇄시 발생하는 균열의 방향은 최소 주응력에 수직 방향으로 발생한다(Hubbert and Willis, 1957). 국내에서 수행한 수압파쇄 실험에서 수압파쇄균열 생성 압력은 암종 및 심도에 따라 변하지만, 전반적으로 7.0~20.0 MPa의 범위를 지니는 것으로 보고되고 있다(Choi et al., 1999). 그러나 일반적으로 균열이 발달한 암반 내에서는 주응력의 방향뿐만 아니라 기존 균열의 특성에 의해서도 크게 영향을 받는다.
Lee et al.(2016)과 Choi and Lee(1995)는 유도 슬롯이 응력집중을 유도할 수 있다는 것과 유도 슬롯의 깊이, 각도 및 주응력 비에 따른 균열 방향이 변한다는 것을 모형 실험을 통하여 밝혔다. 또한 Park et al.(2019)은 최소수평주응력에 수직 방향의 인공슬롯과 천공 경에 수직인 회전 방향의 인공슬롯에 대한 유도균열 발생에 대하여 현장 실험하였다. 시추공 내의 수압파쇄균열 발생은기존 균열 또는 유도 슬롯의 방향을 따라 전파하지만, 시추공에서의 가압 범위를 구간의 근방을 벗어나면 Choi and Lee(1995)의 실험 결과와 같이 균열은 최소 주응력에 수직 방향으로 점차적으로 변해가며 전파한다. 자유면에서 수압암반절개 기술은 지표면에 내재하는 암반의 주응력 방향과 크기, 구조지질학적 요소들이 변수로 작용하며, 시추공 내에 주입되는 유량 및 압력의 크기 등이 균열 발생과 연장에 관한 주요 인자이다. 균열 발생은 시추공 간격, 공경, 주입 심도 등에 관련이 되지만 지표면에 내재하는 불연속면과 같은 지질공학적 특성에 따라 균열 방향을 제어하기 어렵다.
수압암반절개는 이러한 기존 균열이 발달한 암반 내에서 수압파쇄균열을 제어할 수 있도록 유도 슬롯과 다양한 천공 배열 설계를 이용하며, 이러한 연구자료를 근거하여 수압암반절개에 적합한 장치개발을 통하여 인공슬롯에 의한 균열생성 방향을 현장 실험을 통하여 제시하고자 한다.
그러므로 본 연구에서는 암석 절단 워터젯 장치를 제작하여 시추공 내에 설계된 방향으로 유도 슬롯을 형성하고 유도 슬롯의 방향으로 수압파쇄 균열이 생성되도록 장치를 고안하여 현장에서 실험하였다.
Fig. 1은 시추공 내에 유도슬롯을 형성하는 워터젯 노즐이며, 워터젯 본체로부터 발생하는 약 230 MPa의 수압에 연마제를 혼합하여 노즐을 통하여 암석에 유도 슬롯을 형성하였다.
실험 대상 암석에 생성시킨 유도 슬롯의 모양을 확인하기 위하여 실내실험용 화강암(30 × 30 × 30 cm) 내의 시추공(10.5 cm 지름)에 노즐을 삽입하여 유도슬롯을 생성한 결과 형성된 유도 슬롯 깊이는 약 7 cm 정도이다(Fig. 2).
본 실험에서 사용한 이중패커는 상부 패커 60 cm, 인터벌 10 cm, 하부패커 60 cm이며, 시추공은 공경 10.5 cm, 심도 140 cm로 설계되었다.
Fig. 3은 본 실험에 사용한 장치로서 최대 유량 50 LPM (l/min)이며 패커와 인터벌 구간에 최대 50 MPa의 수압을 가하는 수압공급장치와 천공 내에 절개할 방향으로 유도슬롯을 약 5 cm 깊이 이상 생성하도록 최대 500 MPa의 수압을 가하는 워터젯 장치를 구동장치에 탑재하여 제작된 사진이다. 또한, 붐대 및 가이드 빔을 이용하여 천공 내에 유도슬롯 생성 및 이중패커 삽입 등을 기계적으로 작동되도록 하는 장치이다. 이러한 장치는 수압암반절개에서 슬롯에 의한 균열 유도, 패커 삽입 및 인발, 인터벌 수압과 유량에 의한 균열 연장 등 암반 절개에 대한 일련의 과정 등을 기계화로 시공될 수 있도록 설계되었다.
현장 실험
본 현장 실험은 세종시 부강면 등곡리에 위치한 흑운모화강암 지역에 위치한 사면에 대하여 실시하였다(Fig. 4). 현장 실험에서는 기계화 시공에 의해 유도슬롯을 시추공 내의 인터벌 구간과 전체구간에 천공 방향과 평행하게 생성하였으며, 시추공 내에 삽입한 이중 패커의 압력 및 인터벌 구간에 가해진 수압과 유량에 의하여 유도슬롯 방향을 따라 균열이 생성될 수 있음을 확인하였다.
Fig. 3의 장치를 이용한 수압암반절개 현장실험은 2개 구역(A와 B)으로 나누어 실시하였다.
A 구역
A 구역 급경사면의 암반은 전반적으로 절리 및 균열 등이 분포하고 있지 않지만, 부분적으로 닫힌 미세균열이 미약하게 발달하고 있다. Fig. 5a에 나타난 것과 같이, A 구역 급경사면에 세 가지 천공 배열을 이용하여 총 15개의 공을 천공하였지만, 우측 하단부의 육각형 모양의 7개의 공에 대한 선행 실험 결과로 발생한 균열로 인하여 나머지 두 가지 천공 배열에 대한 현장 실험은 수행하지 못하였다.
Fig. 5a의 우측 하단부의 7개의 수평 공은 발파에서 흔히 사용되는 심빼기 발파법을 응용하여 설치하였다. Fig. 5b와 같이, 상부 자유면과 최상부 공은 90 cm 정도 이격되어 있으며, 30 cm 간격의 외곽 6공과 중앙공은 140 cm 심도로 수평 천공하였다. 외곽공을 따른 육각형 형상의 균열을 서로 발생시키기 위하여 시추공 입구부터 100 cm 깊이까지 천공축에 평행한 방향으로 유도슬롯을 형성시켰으며, 중앙공에는 인터벌 구간인 약 65 cm 지점에 천공축에 수직인 방향으로 회전 유도슬롯을 형성시켰다(Fig. 5b, 5c). 이 실험에서는 이중패커의 팽창으로 유도슬롯을 따라 균열이 발생이 되는지 확인하기 위하여 수행하였다. 즉, 인터벌에 가해지는 수압과 유량에 의한 균열 첨단부의 응력집중 현상에 의한 균열 생성과 이중패커의 팽창에 의한 유도슬롯을 따른 균열 생성 정도의 차이를 비교하고, 기존 미세균열에 이중패커의 팽창압이 미치는 영향을 파악하고자 실험을 수행하였다.
현장실험에서 외곽공 내의 천공축과 평행한 유도슬롯은 워터젯 장치를 이용하여 약 230 MPa의 수압으로 시추공 방향을 따라 시추공 입구부터 심도 100 cm까지 약 5 cm 깊이로 생성하였다(Fig. 6).
실험 과정 및 결과
외곽공 6공에 모두 이중패커를 설치한 후, 이중패커에 약 10~12 MPa의 압력과 20~18 MPa의 압력을 2 단계에 걸쳐 가하였다(Fig. 7a). 실험 결과, 일차에 이중패커에 가한 압력으로 시추공 방향을 따라 미세균열 등이 부분적으로 발생하였으며 이차에 가한 이중패커의 압력에 의하여 일차에 생긴 균열을 따라 균열이 연장되거나 확장되었다. 또한, 외곽공 상부공을 따른 기존 균열을 따라 상부 자유면과 평행한 방향을 따라 균열이 연장된 양상을 보였다. 이러한 결과는 Park et al.(2019)이 응력분포 수치해석에서 제시한 결과와 같이 시추공 내에 가한 응력분포가 일차적으로 시추공 주변의 미세 선균열과 함께 유도슬롯 방향을 따라 균열을 발생한 후 해방된 응력이 자유면을 따라 전파하면서 이차균열들을 생성한 것으로 제시되었다(Fig. 7b). 즉, 유도슬롯에 인터벌 수압과 유량이 아닌 패커 압력은 시추공 주변에 응력분포가 주변 미세 기존 균열과 천공을 따라 생성한 유도슬롯의 약한 방향으로 가해져 퍼진 것으로 보인다.
B 구역
B 구역의 급경사면에는 전반적으로 괴상인 암석으로 분포되어 있으나, 닫힌 미세균열들이 미약하게 발달하고 있으며 좌측에 60°의 경사를 지닌 두 개의 절리가 약 80 cm 간격으로 발달하여 있다(Fig. 8). B 구역에 대한 실험에서는 세 가지 다른 배열에 대하여 총 21공을 시추하였다(Fig. 8a). Fig. 8a와 8b에 나타난 것과 같이, B 구역의 배열 설계는 각각 30 cm 및 40 cm 간격의 7개의 수평공으로 구성된 육각형 배열 2 종류와 기존 절리에 수압암반절개이 미치는 영향을 파악하는 목적으로 천공한 7공으로 이루어져 있다. 인터벌 구간에 가해진 수압의 영향으로 시추공 벽의 유도슬롯을 따른 균열 발생 정도를 확인하기 위하여 천공축에 평행한 방향으로 워터젯 장치를 이용하여 유도슬롯을 생성하였다. A 구역의 시추공과는 달리, B 구역의 B-2와 B-3 배열의 외곽 6공에 대하여 인터벌 구간인 심도 50~80 cm 구간의 시추공 벽에 시추공 축과 평행하게 유도슬롯을 형성하였다. 기존에 존재한 두 개의 절리에 대하여 수압에 의해 생성된 신규 균열과의 상관관계 및 인터벌 수압과 유량에 의한 유도슬롯 방향을 따른 균열생성 등을 확인하고자 B-1 및 B-2 의 시추공에서는 수직 및 수평 유도슬롯을 생성하였다.
실험 과정 및 결과
B-1 배열은 기존 절리들 사이의 하부에 위치한 40 cm 간격으로 이격된 두 개의 시추공으로 구성되어 있다. 인터벌 구간의 시추공 벽 양쪽에 상·하 방향의 유도슬롯을 생성하고(Fig. 9a), 두 개의 시추공에 이중패커를 삽입하여 인터벌 구간에 10~15 MPa의 수압을 가하였다(Fig. 9b). 지속적인 수압에 의하여 새로운 미세균열이 유도슬롯을 따라 상하 방향으로 시추공을 가로지르면서 형성되었다(Fig. 9c). 실험 공 주위에 분포하고 있는 기존의 절리의 영향보다 유도슬롯의 영향에 의하여 새로운 미세균열이 생성된 것으로 보이며, 주입 유량이 작아서 그 변위 폭도 매우 작게 나타난 것으로 판단된다.
B-2 구역은 기존 절리들 사이에 위치한 5개의 공으로 이루어져 있다. 최상부와 최하부에 위치한 공의 인터벌 구간에는 상·하 방향의 유도슬롯을, 나머지 3개의 공에 대해서는 수평 방향의 유도슬롯을 생성하였다. 서로 40 cm 이격된 최상부 및 최하부의 실험 공에 이중패커를 삽입하고 약 10~15 MPa의 수압을 동시에 가하였다(Fig. 10a), 주입에 따라 최상부 공 상부에서는 수평 방향의 균열이 생성되었으며, 지속적인 주입으로 인하여 하부 시추공까지 미세균열이 형성되어 연장된 양상을 보였다(Fig. 10b). 상부에 발생한 균열은 상부 약 90 cm에 있는 큰 파쇄대와 같은 수평 방향을 따라 연장되면서 양측에 존재한 기존 절리와 말단이 서로 교차하였다. Fig. 10c는 수평으로 배열된 나머지 3개의 공에 대한 실험을 보여주는 것으로 각각의 실험공은 40 cm 이격되어 있다. 3개의 공에 동시 주입을 함에 따라 유도슬롯 방향으로 균열이 새롭게 생성되었다(Fig. 10d). 이러한 균열은 유도슬롯에 의해 시추공의 방향을 따라 연장되면서 기존 절리와 만나며 사라지는 경향을 나타냈다.
Fig. 10.
Field tests for hydraulic rock splitting in the B-2 area of the section B. (a) staddle packers inserted into the top and bottom borehole in B-2, and (b) the result for hydraulic rock splitting, (c) staddle packers inserted into horizontally arranged boreholes and (d) the result for hydraulic rock splitting.
B-3과 B-4는 사면 우측에 각각 30 cm 및 40 cm의 간격으로 이격된 6개 외곽공과 1개의 중앙공으로 구성된 배열이다(Fig. 11a, 11b). 이 배열에서는 발파에서 흔히 사용하는 심빼기 공법을 적용한 것으로 수압절개에 의해 중앙부에 자유면 형성 가능성을 실험하기 위한 것이다. 6개 외곽공의 인터벌 구간30 cm에 천공 경에 평행한 유도슬롯을 생성하였고, 중앙공에 심도 65 cm에 워터젯을 회전시키면서 일명 회전 유도슬롯을 생성하였다(Fig. 11c). 7개의 실험 공에 이중패커를 삽입하고 패커와 인터벌에 10~15 MPa의 수압과 50 LPM 유량을 지속적으로 가하면서 암반의 균열들을 유도하였다.
Fig. 12는 B-3과 B-4의 실험 결과를 보여주고 있다. B-3에서는 7개의 시추공에 주입으로 유도된 응력으로 인하여 표면에 존재하는 미세크랙들을 중심으로 균열들이 발전해 나가면서 동시에 천공 축 방향과 평행하게 생성한 유도슬롯을 따라 균열이 발생하였다(Fig. 12a). 즉, 새로운 균열들은 유도슬롯에 의한 것과 기존에 존재하는 미세크랙을 따라 생성된 복합적 양상을 보이며, 이는 패커압력과 주입에 의해 유도된 응력분포가 주변 암석들에 영향을 주어 유도슬롯과 기존 균열을 따라 발생된 것으로 판단된다. 또한, 수압에 의해 생성된 균열은 기존에 존재하는 절리와 만나며 더 이상 연장되지 않았다. B-4에서는 전반적으로 패커압력과 주입에 의한 응력분포로 인하여 시추공 상단 50 cm 위에 있는 큰 파쇄대와 같은 수평 방향을 따라 2개의 신규 균열이 우선 생성되었다(Fig. 12b). 또한, 시추공 하부 3개 공에서는 지속적인 주입에 의하여 유도슬롯의 방향을 따라 새로운 신규 균열이 생성되어 연장되었으나 상·하 방향으로 생성한 유도슬롯 방향을 따라 균열은 생성되지 않았다. 이는 유도슬롯에 인터벌 수압과 유량에 대한 응력보다 시추공 상단에 있는 큰 파쇄대로 인한 응력해방이 더 크게 작용한 것으로 판단된다.
결론 및 토의
본 연구에서는 세종시 부강면에 위치하는 화강암 지역의 사면에 워터젯 장치를 통해 시추공 내에 유도슬롯을 생성하고, 이중패커를 자동화 기계로 삽입하여 작업의 효율성을 증대시켰다. 암반에 균열 방향을 제어하기 위하여 여러 형태의 시추공 배열과 인공슬롯 위치 및 크기를 변화하면서 현장실험을 수행하였다.
일반적으로 1- 또는 2-자유면에서 수행한 수압암반절개로 인해 형성된 암반 균열은 일반적으로 암석의 최소주응력에 수직인 방향으로 유도된다. 자유면 근처의 지중응력분포는 자유면과 평행하게 발달하기 때문에 자유면과 평행한 방향을 따라 수압 유도 균열이 형성되거나, 기존에 분포한 균열이 수압유도 균열의 방향에 큰 영향을 미친다. 따라서 이 현장실험에서는 다양한 요소의 영향을 고려하여 여러 시추공 배열을 이용하여 실험을 수행하여 그에 따른 균열 특성을 관찰하였다.
(1) A 구역은 육각형 형태의 6공에 유도슬롯을 자유면부터 100 cm 깊이까지 시추공 축 방향으로 시추공 벽면 양측 면에 형성하고, 이중패커에 2 단계의 압력을 가하면서 균열의 생성 방향을 확인하였다. 일차 압력에 의하여 유도슬롯 방향을 따른 미세균열이 생성되었고, 이차 압력으로 일차에 생긴 미세균열을 연장 및 확장하면서 부가적으로 주변에 분포한 잔존균열 등을 따라 연장된 형태를 보였다.
(2) B 구역은 기존 절리 구간에서 수직 및 수평 방향 유도슬롯에 의한 균열 연장과 두 개의 육각형 형상에서 시추공 방향을 따라 인터벌 구간에 유도슬롯을 생성한 후, 주입에 의한 균열 연장을 실험하였다. B-1 실험 결과는 지속적인 주입에 의하여 신규 미세균열이 유도슬롯 방향을 따라 상·하로 발생하였다. B-2 실험 결과는 수직방향으로 배열된 2개의 시추공에 상·하 방향으로 유도슬롯을 내고 지속적인 주입에 의해 미세균열이 생성되었으며, 수평 방향으로 유도슬롯을 낸 수평방향으로 배열된 3개 시추공에서도 유도슬롯 방향을 따라 균열이 연장되었으며 기존 절리를 만나 균열의 말단이 사라졌다. B-3 실험 결과는 표면에 존재하는 미세크랙들을 중심으로 신규 균열들이 연장하면서 유도슬롯 방향을 따라 부분적으로 생성된 양상이다. B-4 실험 결과는 2개의 신규 균열이 시추공을 가로질러 발달하였으며 지속적인 주입에 의하여 하부에 위치한 3개 공에서 유도슬롯 방향을 따라 균열이 생성하였다.
이러한 현장 실험 결과들을 보면, 일반적으로 균열은 패커 압력 및 인터벌 수압과 유량에 의하여 기존에 발달한 미세균열을 따라 주로 발생하였으며, 자유면에 가까운 위치에서는 자유면에 평행한 방향으로 형성되기도 하였다. A 구역에서 시추공 방향의 유도슬롯에 패커 압력에 의한 균열은 Park et al.(2019)의 수치모형과 현장 실험에서 제시한 바와 같이 패커 압력으로 시추공 주변의 응력분포가 유도슬롯 방향을 따라 연장되며 균열이 발생하면서 시추공을 따라 가로질러 연장하였다. 즉, 패커 압력은 시추공 주변에 응력을 가하여 공경 팽창으로 주변에 암반 변형을 슬롯 방향으로 유도하면서 상단에 있는 자유면에 평행한 방향으로 수평 균열이 연장한 것으로 보였다. B 구역의 B-3와 B-4 실험은 시추공 방향의 유도슬롯에 패커 압력과 인터벌 수압과 유량에 의한 균열로 A 구역과 비슷한 경향을 보였으나, 인터벌 수압과 유량에 의하여 생성된 균열이 진전되는 양상을 나타냈다. 이는 유도슬롯에 의하여 균열을 생성한 후 많은 유량을 주입하면 균열이 길게 연장되는 것으로 제시하였다. B-1과 B-2 실험은 수직인 2개 시추공에 상·하 방향으로 유도슬롯을 내고 인터벌의 수압과 유량에 의하여 균열이 슬롯 방향을 따라 미세하게 나타나면서 시추공을 가로질러 연장하였다. 인터벌 수압과 유량에 의해 유도슬롯 방향으로 생성된 균열은 유량이 균열 틈새의 유출에 의한 수압 감소로 인하여 폭이 매우 미세하게 나타났다. 즉, 공당 약 25 LPM의 유량은 유도슬롯 방향으로 미세균열을 생성하면서 주입되어 그 균열 폭을 확장 시키지 못한 것으로 판단되었다. 그러므로 본 연구에서는 기존에 발달한 기존 미세균열이거나 유도슬롯에 의해 생성된 균열에 보다 많은 유량을 주입하면 균열들이 연장되어 수압암반절개를 보다 효율적으로 실시할 수 있을 것으로 사료된다.
