TAILING SEDIMENT CORE SAMPLER

광미 샘플러{TAILING SEDIMENT CORE SAMPLER}

본 발명은 광미 샘플러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지중에 매립된 광미 퇴적물(이하 '광미'라 약칭함)을 시추작업에 의해 채취할 때 광미를 교란없이 채취할 수 있고 지표에서부터 원하는 심도까지 연속적으로 채취할 수 있는 광미 샘플러에 관한 것이다.

광미와 광재는 광산에서 발생되는 잔재물들로, 광미는 광석을 빻아 금을 거의 골라낸 뒤에 남은 광석 가루이며, 광재는 광물을 제련할 때 금속에서 분리된 찌꺼기이다.

일반적으로, 광미와 광재 등의 폐석들은 여름철의 집중강우에 의해 중금속이 용출되어 주변의 하천을 오염시키며, 겨울철은 광미 입자들이 비산되어 광산 주변의 거주지와 농경지를 오염시키게 된다. 또한, 광산 주변의 토양은 지속적으로 오염물질을 수용하게 되어 오염되지 않은 토양에 비해 수십에서 수백배 이상의 중금속을 함유하게 된다. 특히, 금속 광산의 광미 및 광재 등이 황화물을 함유한 경우, 황화물을 함유한 폐석들이 물속의 용존산소와 반응하면 강산 산성수를 생성하여 폐석 내의 중금속을 용출시키게 되고, 침출수로 유출되어 주변의 토양 및 지표수나 지하수를 오염시킨다. 따라서, 광미 및 광재 등의 폐석들은 물과의 접촉을 원천적으로 차단하는 것이 가장 바람직한 수질 오염방지 방법이다.

통상적으로, 광미 및 광재의 처리방법으로는 매립법, 고형화/불용화법, 매립장 이동방안 및 중성화/안정화/고형화 방법 등이 있다.

상기 매립법은 광산 주변지역에 옹벽 또는 흙제방 등 광산폐기물 저류시설을 축조하여 매립하는 방법으로, 필요한 경우 각종 차수제, 복토를 첨가하거나 식재 등을 실시하여 폐기물을 관리하는 방법이다. 그러나, 상기 매립법은 광미 또는 광재 등의 폐석들이 우기시 토양이나 하천수 및 지하수로 이동되어 광산 주변지역의 생태계를 위협할 문제가 항시 상존하고 있으며, 또한 대규모의 폐석을 매립할 경우 부지 매입비, 토목공사비 및 처리운반 비용 등의 부대 비용 등의 경제적인 부담도 따르는 등의 문제점이 있었다.

한편, 최근 산업의 급속한 발달과 국토의 전역에 걸친 개발이 시작되면서 토목, 건축, 환경시설물 등에 대한 건설공사가 더 이상 양호한 지반에서만 이루어지기 어려운 상황에 직면하였다. 즉, 해안가, 산악 암반지대, 쓰레기 매립지, 도심지 기존 구조물 근접부 등 종래의 건설공사 입지 선정시 제외되었던 악조건 현장에서도 공사를 수행해야만 되는 경우가 날로 늘어나고 있다. 이에 따라, 구조물을 안전하고도 경제적으로 설계, 시공하기 위해서, 또 기존 구조물의 유지, 보수 및 안전 진단을 위해서는 반드시 정확한 지반조사를 통한 지반 정보의 획득과 분석평가가 요구되고 있다.

이러한 지반조사는 기능적인 구조물을 가급적 안전하면서도 경제적으로 건설하며, 유지, 관리하는데 필요한 기초자료, 즉 지반의 특성 및 지층의 상태, 침하량 산정에 필요한 기본 자료 등을 준비하는 데에 그 목적이 있다.

특히, 구조물을 설계할 때에는 구조물 하중에 의한 지반의 침하를 허용치 이내로 하고, 기초에 가해지는 하중이 허용 지지력을 초과하지 않도록 하는 것이 중요하다. 따라서, 지반조사를 통하여 지반침하의 계산에 필요한 자료와 구조물의 안전에 영향을 미칠 수 있는 지반에 대한 모든 정보를 취득해야 한다.

또한, 지반 조사작업은 세심하게 수행되어야 하며, 구조물과 기초의 종류, 시공방법, 건설 재료 등을 결정할 수 있도록 조기에 실시해야 한다. 지반조사가 늦어지면 공사기일에 쫓겨서 지반조사를 상세하게 수행할 수 없게 되어 경제적인 해결책을 찾기 어렵게 된다. 지반조사의 비용은 전체 공사비의 1∼2%에 불과하나 이 비용을 아끼면 전체 구조물이 손상되는 피해를 입을 수 있다.

그래서, 선진국에서는 연약지반에서 비교란 시료를 채취하는 샘플러의 개발에 많은 투자와 연구가 진행되고 있다. 그 이유는 시료를 채취하는 샘플러에 따라 지반정수가 변화하기 때문이다. 캐나다의 라벨(laval)대학에서 만든 대구경 라벨샘플러로 채취한 것이 일본의 피스톤 샘플러로 채취한 것보다 교란이 작게 된다는 연구결과가 발표된 바 있다.

그러나, 종래 비교란 샘플러는 지반의 상태에 따라 비교란 시료를 채취하지 못하고 있으며, 광미의 채취이후 샘플러를 인발할 때 지중 시추공을 지지하는 구조물이 없기 때문에 시추공이 붕괴되는 문제점이 있다.

그리고, 대개 샘플러를 지중에 시추할 때 자연적으로 유입되는 광미를 지중으로 인발하여 확인하는 것으로 광미가 채취되는 샘플러가 원통형 구조로서 광미의 채취시에는 비교란이 가능하였더라도 광미의 확인시 광미가 샘플러 내부에서 교란되어 비교란 채취가 불가능하다.

또한, 샘플러의 선단부가 개방된 구조이기 때문에 지중속으로 굴하시에는 광미가 안정된 상태로 삽입되지만, 샘플러를 인발할 때 샘플러 내부에 삽입된 광미가 외부로 배출되는 문제점도 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광미 퇴적물을 시추작업에 의해 채취할 때 시추공의 붕괴와 광미의 교란없이 원하는 심도까지 연속적으로 광미 퇴적물을 채취함으로써 퇴적물 단면을 확인할 수 있도록 한 광미 샘플러를 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고, 본 발명의 다른 목적은 샘플러 내부에 유입된 광미가 샘플러 내부에서 외부로 배출되지 않도록 하려는데 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 광미 샘플러는, 선단부에 비트가 형성되어 지반을 굴착하며 지반을 지지하는 원통형의 아웃 튜브와; 상기 아웃 튜브의 내부에 분리 가능하게 삽입되는 원통형 인너 튜브와; 상기 인너 튜브의 내부에 삽입되며 상기 인너 튜브에 유입되는 광미를 저장하는 원통형의 샘플 튜브와; 상기 인너 튜브의 후방에 결합되어 상기 인너 튜브의 후방측 개구부를 개폐하는 샘플러 헤드와; 상기 샘플러 헤드에 연결되는 로드를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 광미 샘플러에 의하면, 지반의 굴하시 아웃 튜브가 시추공을 지지하여 시추공의 붕괴를 막을 수 있고, 또한, 광미가 교란없이 안정되게 채취됨에 따라 비교란 광미 샘플러로서의 신뢰성을 향상할 수 있다.

그리고, 샘플 튜브의 선단부에 형성된 코어 캐처에 의해 샘플 튜브에 유입된 광미는 샘플 튜브의 외부로 누출되지 않으므로 광미의 확인을 위하여 샘플 튜브를 지중에서 인발하여도 광미는 교란없이 퇴적된 상태를 유지하므로 정확한 단면 확인이 가능하다.

도 1에서 보이는 것처럼, 본 발명에 의한 광미 샘플러(100)는, 굴하시 지반 의 외벽이 붕괴되지 않도록 지반을 지지하는 아웃 튜브(10), 아웃 튜브(10)의 선단부에 결합되어 지반을 굴하하는 비트(20), 아웃 튜브(10)의 내부에 분리 가능하게 삽입되며 후술하는 샘플 튜브(40)를 지지하는 인너 튜브(30), 인너 튜브(30)의 내부에 분리 가능하게 삽입되며 내부에 광미가 수용되는 샘플 튜브(40), 인너 튜브(30)의 후방에 결합되며 샘플 튜브(40)를 보호하는 샘플러 헤드(50), 샘플러 헤드(50)에 결합되는 로드 커플링(60)으로 구성된다.

도 1과 도 2에서처럼, 아웃 튜브(10)는 양측이 연통된 원통형이며, 선단 외주면에는 비트(20)와 나사 체결되는 비트 연결부(11)가 형성된다.

비트(20)는 굴하시 광미가 유입될 수 있도록 원통형이며 굴하가 용이하도록 선단부로 갈수록 외경이 작아지게 형성되고, 선단부에 비트팁 등이 결합될 수 있다.

비트(20)는 기능상 마모가 일어날 수 있으므로 아웃 튜브(10)에 분리 가능하게 결합되는 것이 바람직하며, 예를 들어 후방 내주면에 나사부가 형성되어 아웃 튜브(10)의 비트 연결부(11)에 나사체결될 수 있다.

비트(20)는 아웃 튜브(10)와 나사 체결되는 것으로 한정되지 않고 아웃 튜브(10)로부터 분리 가능하며 아웃 튜브(10)의 회전시 함께 회전될 수 있는 모든 방식이 가능하다.

비트(20)는 후술하는 슈(32)의 선단부가 회전 가능하게 지지되도록 안착턱(21)이 형성된다.

인너 튜브(30)는 샘플 튜브(40)가 삽입된 몸체(31), 몸체(31)의 선단부에 결 합되며 몸체(31)를 지지하는 슈(32), 몸체(31)의 내부에 삽입되며 샘플 튜브(40) 내부에 유입된 광미가 역류되지 않도록 차단하는 코어 캐처(33)로 구성된다.

몸체(31)와 슈(32) 및 코어 캐처(33)는 서로 분리 가능하게 구성될 것이며, 이를 위하여 몸체(31)의 선후단부에 각각 슈 연결부(31a)와 헤드 연결부(31b)가 형성된다. 그리고, 몸체(31)의 내부에 삽입된 샘플 튜브(40)가 몸체(31) 내부에서 움직이지 않도록 내부에는 걸림턱(31c)이 형성된다.

슈(32)는 원통형이며 내주면에 코어 캐처(33)가 안착되는 지지턱(32a)이 형성된다.

슈(32)는 선단부가 비트(20)의 안착턱(21)에 지지된다. 이때, 비트(20)는 굴하를 위하여 경우에 따라 회전될 수 있기 때문에 비트(20)가 회전되어도 슈(32)가 회전하지 않도록 슈(32)의 선단부는 베어링(34)을 통해 비트(20)에 지지된다. 즉, 비트(20)의 안착턱(21)에는 베어링(34)이 설치되고 슈(32)는 베어링(34) 위에 지지되는 것이다. 베어링(34)은 원통형으로 이루어져 비트(20) 내부에 삽입되며 자신은 슈(32)에 삽입되는 예컨대 원통형 베어링 홀더(34a)의 둘레부에 설치된다.

코어 캐처(33)는 일측(광미가 유입되는 측)으로는 개방되지만 타측(광미가 배출되는 측)으로는 개방되지 않도록 구성되어 광미가 샘플 튜브(40)에 유입되면 외부로 배출되지 않도록 한다. 코어 캐처(33)는 예컨대 전체적으로 원추형으로 형성되며 다수의 날개들이 광미의 유입방향으로는 열리지만 광미의 누출방향으로는 열리지 않도록 구성되어 이루어질 수 있다.

인너 튜브(30)의 몸체(31)는 단일 원통일 수도 있지만, 광미 채취를 위하여 아웃 튜브(10)에서 분리되어 지상으로 인발될 때까지는 샘플 튜브(40)를 보호하지만, 지상으로 인발된 후에는 샘플 튜브(40)에 유입된 광미가 혼합되거나 함몰되지 않도록 도 3에서와 같이, 2개의 반원형 편(31A,31B)으로 구성될 수 있다.

2개의 반원형 편(31A,31B)은 원통형을 반으로 절단한 형상이며 원통형인 하나의 슈(32)에 결합될 수 있으므로 별도의 고정부재를 사용하지 않는다.

샘플 튜브(40)는 원통형이며 내부에 채워진 광미를 외부에서도 확인 가능하도록 투명의 아크릴로 이루어질 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 샘플 튜브(40)는 내부에 채취된 광미의 단면을 보다 정확하게 확인할 수 있도록 2개의 반원형 편(40A,40B)으로 구성될 수 있다. 샘플 튜브(40)는 전방은 코어 캐처(33), 후방은 걸림턱(31c)에 지지되어 인너 튜브(30) 내부에서 움직이지 않기 때문에 2개의 반원형 편(40A,40B)이 서로 결합되지 않아도 무방하나, 채취된 광미의 보호차원에서 테이프나 밴드 등을 통해 원통형을 유지할 수도 있다.

샘플러 헤드(50)는 내부에 유로(51a)가 형성된 원통형이며 선단부가 인너 튜브(30)의 몸체(31)의 헤드 연결부(31b)에 나사 체결되는 헤드 몸체(51), 헤드 몸체(51)의 둘레부에 형성되며 헤드 몸체(51)의 유로(51a)를 외부와 연통 형성하는 하나 이상의 배기구(52), 헤드 몸체(51)의 유로(51a)에 이동 가능하게 삽입되어 헤드 몸체(51)의 유로(51a) 입구와 배기구(52)를 개폐하는 볼밸브(53)로 구성된다.

유로(51a)는 타구간보다 단면적이 좁게 형성되어 볼밸브(53)에 의해 유입과 출구가 개폐된다.

볼밸브(53)는 광미의 채취시 샘플 튜브(40) 내부에 채워진 공기에 의해 상승하게 되며, 공기와 이물질 등이 침투할 경우 유로(51a)의 입구를 막아 폐쇄한다.

로드 커플링(60)은 샘플러 헤드(50)에 나사 체결 등으로 분해 조립되며 로드(70)의 연결을 유도한다.

도 4를 참조하여 본 발명에 의한 광미 샘플러(100)에 의한 광미의 채취 공정을 설명한다.

(S10) 광미 샘플러 조립.

본 발명은 일정 길이의 로드(70)를 연결하면서 광미 샘플러(100)를 원하는 깊이까지 굴하는 것이며, 광미 샘플러(100)와 다수의 로드(70)를 준비한다.

(S20) 굴하.

광미 샘플러(100)에 로드(70)를 연결하고, 이 로드(70)를 천공기 등의 장비에 연결하여 굴하를 개시한다. 본 발명은 지표면에서부터 연속적으로 광미를 채취할 수 있으므로 먼저 지표면측에서부터 광미를 채취하기 위하여 광미 샘플러(100)를 원하는 깊이까지 굴하한다.

굴하는 아웃 튜브(10)를 타격하는 방식, 아웃 튜브(10)를 회전시키는 방식 등이 가능하다. 타격 방식에서는 로드(70) - 샘플러 헤드(50) - 인너 튜브(30) - 슈(32) - 아웃 튜브(10) - 비트(20)를 통해 힘이 전달되어 지반을 타격함으로써 샘플러(100)가 굴하된다. 회전 방식에서는 베어링(34)에 의해 아웃 튜브(10)와 비트(20)는 회전하여도 인너 튜브(20)는 회전하지 않으므로 지반의 붕괴와 광미의 교란없이 광미를 채취할 수 있다.

샘플러(100)가 굴하됨에 따라 광미가 비트(20) - 슈(32) - 샘플 튜브(40)의 경로를 통해 샘플 튜브(40) 내부에 유입된다.

광미는 코어 캐처(33)를 밀고 샘플 튜브(40)의 내부에 유입되며, 광미가 샘플 튜브(40)에 유입됨에 따라 샘플 튜브(40) 내부에 차있는 공기가 배출되어야 할 것이며, 공기는 볼밸브(53)를 밀어 유로(51a)를 개방하면서 배기구(52)를 통해 배출된다. 따라서, 샘플 튜브(40)의 배출구가 볼밸브(53)에 의해 막히게 되어 이물질이 샘플 튜브(40) 내부에 유입되지 않게 된다. 한편, 샘플 튜브(40)에 유입된 광미는 코어 캐처(33)에 의해 배출되지 않는다.

이와 같은 굴하시 아웃 튜브(10)가 지반을 보호하기 때문에 지반의 붕괴를 막을 수 있고 결과적으로 샘플 튜브(40)를 보호함과 아울러 광미를 교란없이 채취할 수 있는 것이다.

(S30) 광미 채취.

샘플 튜브(40)가 원하는 심도까지 굴하하면 굴하를 정지하고 광미를 채취한다. 로드(70)를 지중에서 인발하면, 로드(70) - 로드 커플링(60) - 샘플러 헤드(50) - 인너 튜브(30) - 샘플 튜브(40) - 슈(32)가 함께 지중에서 인발된다.

샘플 튜브(40)는 인너 튜브(30) 내부에 보호된 상태를 유지하기 때문에 샘플 튜브(40)에 유입된 광미는 지반에 적층된 상태를 그대로 유지하게 되며, 지반은 아웃 튜브(10)에 의해 붕괴되지 않는다.

샘플 튜브(40)에 의해 채취된 광미 샘플을 확인하기 위하여 인너 튜브(샘플러 헤드(50)와 슈(32)를 분리한다. 인너 튜브(30) 안에는 샘플 튜브(40)가 삽입되 어 있으며 인너 튜브(30)는 2개의 반원형 편(30A,30B)로 구성되므로 인너 튜브(30)를 눕혀놓고 2개의 반원형 편(30A,30B) 중 어느 하나의 반원형 편(30A 또는 30B)을 들면 인너 튜브(30)가 개방되어 샘플 튜브(40)가 노출된다. 샘플 튜브(40)는 투명의 아크릴로 이루어지기 때문에 샘플 튜브(40)를 인너 튜브(30)에서 분리하거나 인너 튜브(30)에 삽입된 상태에서 샘플 튜브(40)에 채워진 광미를 확인할 수 있다.

샘플 튜브(40) 내부에 채워진 광미는 지반의 단면과 동일하므로 광미의 단면을 통해 지반의 단면 상태를 확인할 수 있다.

광미의 확인이 완료되면 샘플 튜브(40)에서 광미를 제거한다. 샘플 튜브(40)는 2개의 반원형 편(40A,40B)로 이루어지므로 어느 하나의 반원형 편을 분리한 후 다른 반원형 편을 뒤집어 광미를 제거할 수 있다.

(S40) 조립 및 재굴하.

인너 튜브(30) 내부에 샘플 튜브(40)를 넣고 인너 튜브(30)의 양측에 슈(32)와 샘플러 헤드(50)를 결합하며, 로드 커플링(60)에 로드(70)를 원하는 길이만큼 연결한 후 지중에 삽입되어 있는 아웃 튜브(10) 내부에 삽입한다.

인너 튜브(30)와 아웃 튜브(10)의 조립이 완료되면 (S20) 굴하 공정과 같은 방법으로 광미의 채취를 위한 심도까지 굴하를 진행한다.

굴하시 지반의 광미가 샘플 튜브(40) 내부에 유입되며, 원하는 심도까지 굴하를 진행하여 광미의 샘플이 완료되면 샘플 튜브(40)를 지중에서 인발하여 광미의 단면을 확인한다. 이 공정은 이미 구체적으로 설명하였으므로 구체적인 설명은 생략한다.

이상의 공정(굴하 - 인너 튜브(30)(샘플 튜브(40)) 인발 - 광미 단면 확인 - 조립 및 재굴하)을 반복 수행함으로써 원하는 심도까지의 지반을 확인할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 광미 샘플러의 단면도.

도 2는 본 발명에 의한 광미 샘플러의 분해도.

도 3은 본 발명에 의한 광미 샘플러에 적용된 인너 튜브와 샘플 튜브의 분해도.

도 4는 본 발명에 의한 광미 샘플러를 이용한 샘플링 공정도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10 : 아웃 튜브, 20 : 비트

30 : 인너 튜브, 40 : 샘플 튜브

50 : 샘플러 헤드, 60 : 로드 커플링

70 : 로드,