광산 채굴공동 충전용 저시멘트계 충전재{CEMENT FILLER FOR FILLING MINE HOLE}
본 발명은 광산 채굴공동 충전용 저시멘트계 충전재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시멘트나 모래 등과 같이 수급이 원활하지 않고 가격이 비싼 재료를 사용하지 않고 광산 채굴공동에 적합한 재료를 선정하여 광산 채굴공동을 견고하게 충전할 수 있는 광산 채굴공동 충전용 저시멘트계 충전재에 관한 것이다.
일반적으로 광산개발지역의 지하 공동부용 충전재는 광해를 방지하기 위한 것인 바, 지하자원 개발로 인하여 발생되는 공해현상을 광해(鑛害)라고 하며, 광산의 개발 중이나 휴, 폐광 후에 특별한 환경적, 광산보안적 조치가 미흡하게 되면 광해 현상이 발생하게 된다. 이러한, 광해현상은 중금속을 함유한 산성수의 유출, 광미사 및 폐석 자체의 유실과 유해성 침출수의 유출, 채굴적 상부 및 인접지역의 지반침강, 그리고 건조한 계절에 분진(세립질 광미사 등)의 비산 등을 들 수 있다. 이들 중 자연환경과 생활환경, 나아가 삶의 유해 요소로 작용하는 주요한 광해현상은 중금속을 함유한 산성 광산배수의 유출과 지하 공동부의 지반침강 현상인 바, 본 발명에서는 지하 공동부의 지반침강에 대해서 서술하기로 한다. 상기한 바와 같은 지반침강의 원인은 지하자원 개발로 인하여 지하 공동부가 생성되고, 지하공동은 충전하지 않게 되면 상부에서 작용하는 압력과 응력에 의해 힘의 균형을 잃게 되므로 지하 공동부 방향으로 침강하게 되어 발생된다. 만약, 상부에서 작용하는 응력이 천반 또는 광주(Pillar)의 지반강도 보다 크지 않을 경우 침강이 일어나지 않으나 채광작업 후 시간의 경과에 따라 지하수에 의한 지반강도의 감소, 지반의 크리프(Creep)변형, 침투수압 등의 요인에 의해 지하 공동부의 파괴현상이 일어나게 된다. 특히, 지하 공동부에서의 높은 습도는 단기간 또는 장기간에 걸쳐 암석의 강도와 변형특성을 변화시키게 되며 지질구조의 취약부인 단층 파쇄대에서 지하수의 역할은 지반의 강도를 저하시키는 요인으로 작용하게 된다. 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 지하 공동부를 충전하는 방법이 대두된 바, 종래 기술에 의한 충전방법은 토양, 마사토류, 잔자갈 또는 시멘트 밀크, 시멘트 모르타르, 콘크리트, 플라이애시 등의 산업부산물을 지하 공동부에 채워 넣는 것이었다. 그러나, 종래 기술에 의한 지하 공동부용 충전재는 단순히 상기한 바와 같은 충전재를 지하 공동부에 채워 넣는 것이기 때문에 주입된 충전재가 경화되면서 물리적 특성 변화가 발생되는데, 특히, 충전재의 수축현상에 의해서 지하 공동부와의 접촉부에서 이격현상이 발생되고, 충분한 지내력이 확보되지 못하여 지하 공동부의 지방침강 현상이 발생되는 문제점이 있다. 또한, 상기한 바와 같은 충전물들은 그 입자가 미세하기 않기 때문에 충전자체가 용이하지 않으므로 충전물을 지하 공동부에 채워 넣는 작업에 소요되는 시간 및 비용을 절감하기 어려운 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로 특허 제0512788호(지하 공동부용 충전재)가 있다. 상기 특허 제0512788호는, 광미, 플라이애시(Fly ash), 폐석회, 폐석고 중 어느 하나의 광석분말 100 중량부에 대해 5 내지 30 중량부의 시멘트와; 광미, 플라이애시(Fly ash), 폐석회, 폐석고 중 어느 하나의 광석분말 100 중량부에 대해 0.5 내지 2 중량부의 팽창제와; 광미(鑛尾), 플라이애시(Fly ash), 폐석회, 폐석고 중 어느 하나의 광석분말 100 중량부에 대해 10 내지 70 중량부의 물이 혼합되어 이루어진다. 그러나, 상기 특허 제0512788호는 시멘트의 사용량이 광석분말 100중량부에 대해 5 내지 30중량부로서 경제성이 매우 떨어지며, 결과적으로 현실적이지 못한 문제점이 있다. 그리고, 광산 채굴적은 수십~수백m 심부에 위치하여, 팽창재를 긴 이송관로를 통해 중력, 압력 이송시 폐쇄 혹은 내압 발생의 원인이 되는 문제점도 있다.
다른 예로서, 특허 제0398076호(바텀애쉬를 함유하는 고유동성 충전 조성물 및 이의 제조방법)가 있다. 상기 특허 제0398076호는 포틀랜드 시멘트 30∼120중량부, 플라이애쉬(fly ash) 210∼280중량부, 바텀애쉬(bottom ash) 70∼280중량부, 모래 600∼1300중량부 및 물 320∼460중량부를 혼합하여 이루어지며 3∼83kgf/cm 2 의 28일 압축강도 및 20cm 이상의 슬럼프 플로우값을 나타내는 것을 특징으로 한다. 상기 특허 제0398076호는 모래의 사용량이 과도하여 과도한 모래활용은 재료성능은 높일 수 있으나 경제성(실효성) 현저히 낮은 문제점이 있다. 그리고, 슬럼프를 20cm 이상은 광산 채굴공동에 적합하지 않은 문제점도 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 시멘트나 모래 등과 같이 수급이 원활하지 않고 가격이 비싼 재료를 사용하지 않고 광산 채굴공동에 적합한 재료를 선정하여 광산 채굴공동을 견고하게 충전할 수 있는 광산 채굴공동 충전용 저시멘트계 충전재를 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 광산 채굴공동 충전용 저시멘트계 충전재는, 시멘트, 조골재로 바텀애쉬, 광미와 플라이애쉬 중 하나 이상, 물이 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 광산 채굴공동 충전용 저시멘트계 충전재에 의하면, 시멘트나 모래와 같이 가격 등의 원인으로 인하여 수급이 원활하지 않은 재료를 대신하여 폐기물인 바텀애쉬, 플라이애쉬, 광미 등을 이용하여 광산 채굴공동에 충진됨으로써 저렴한 비용으로 지반을 보강할 수 있다. 그리고, 충전재의 이송거리가 짧고 갱도 발달이 복잡하여 채굴적의 전체 충전이 어려운 경우, 형태가 넓고 낮은 채굴적(room and pillar, ramp way 등)의 경우 부분 충전으로도 안정화에 기여할 수 있도록 충전한다. 슬럼프치가 낮은 반면 물 활용성을 낮춰 강도를 증진시킴으로써 안정화를 도모할 수 있으며, 재료의 양을 줄일 수 있는 등의 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 각각 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따른 강도 특성 그래프.
본 발명에 의한 광산 채굴공동 충전용 저시멘트계 충전재는, 시멘트, 조골재로 연소로에서 발생되는 바텀애쉬(bottom-ash), 광석 부산물인 광미와 플라이애쉬(fly-ash) 중 하나 이상 및 물이 혼합되어 이루어진다. 시멘트는 다른 재료들의 결합 및 경화를 위해 사용되며, 1중량% 이하로 혼합되면 재료간 결합 및 경화가 이루어지지 않으며 5중량% 이상 혼합되면 재료간 결합 및 경화에 큰 차이가 없으므로 1~5중량%가 혼합된다. 시멘트는 재료의 경제성 측면에서 가장 큰 인자이다. 따라서 시멘트 사용량을 줄임으로써 재료의 가격을 낮출 수 있다. 바텀애쉬는 조골재용으로 사용될 수 있고 0.1~4mm의 입도이며 진비중 1.3~1.6인 것으로 가공 내지 선별된다. 바텀애쉬는 20중량% 이하 혼합되면 기타 재료의 혼합량이 너무 많아지고 강도를 만족하기 어려우며 65중량%이상 혼합되면 강도면에서 큰 차이가 없으므로 20~65중량%가 혼합된다. 바텀애쉬를 대신하여 건설폐기물을 사용할 수도 있다. 광미는 조골재나 시멘트 등 사이의 공극에 채워져 강도를 보강할 수 있으며, 따라서, 입도 50~250㎛ 이며 진비중 2.5~3.2인 것이 혼합된다. 10중량% 이하로 혼합되면 재료 사이의 공극율이 높아져 강도가 떨어질 수 있고 50중량% 이상 혼합되면 기타 재료의 혼합량이 적어지므로 강도가 약할 수 있기 때문이다. 플라이애쉬는 시멘트 등 재료들이 균일하게 혼합되도록 하며, 입도 1~100㎛ 비표면적 4000~5000㎠/g 진비중 1.9~2.3인 것이 바람직하다. 플라이애쉬는 유동성 조절능력을 부여할 수 있는 재료로서, 플라이애쉬는 입자가 구형으로 가공되어 파쇄형인 시멘트, 조골재 등의 사이에서 볼베어링 작용을 하므로 유동성 개선으로 펌프성 등의 작업성(workability)을 좋게 하고 소요반죽질기(slump)를 얻기 위한 단위수량을 감소하며 이에 따라 블리딩(bleeding)량을 감소한다. 즉, 화학적 유동화제를 이용하여 유동성을 확보할 수 있지만 광산충전재에서는 화학적 성분을 최소로 이용하여야 하는 관점에서 볼 때 플라이애쉬는 최적의 유동화제인 것이다. 플라이애쉬는 10중량% 이하 혼합되면 유동성을 확보하지 못하고 65중량% 이상 혼합되면 재료들의 유동성이 너무 커서 작업성을 좋지 않게 할 수 있다. 광미와 플라이애쉬는 어느 하나가 단독으로 사용될 수 있고, 2개가 혼합되어 사용될 수도 있으며, 후자의 경우 10~50중량%의 범위 이내에서 혼합된다. 물은 플라이애쉬와 함께 재료들의 유동성을 확보하고 재료들의 혼합을 위해 사용되며, 10중량%이하로 혼합되면 재료들이 균일하게 혼합되지 못하고 25중량% 이상 혼합되면 혼합물이 너무 묽기 때문이다.
본 발명은 채굴공동에 지하수가 있는 경우에도 시공이 가능하도록 수중불분리제가 첨가될 수 있다. 상기 수중불분리제는 상기 광산 채굴공동 충전용 저시멘트계 충전재 100중량부에 대하여 5~10중량부가 혼합된다. 상기 수중불분리제는 광산 채굴공동 충전시 발생하는 분산을 방지하기 위한 것으로 셀룰로즈(Cellulose)계 유기증점제를 사용하며 5중량부 이하에서는 충전재의 수중 분산이 너무 심하게 발생하며 10중량부 이상에서는 점도상승으로 인한 충전이 어려워 곤란을 초래한다. 본 발명에 의한 광산 채굴공동 충전용 저시멘트계 충전재는 슬럼프가 3~7cm 로서 충전시 인공적인 기둥을 형성하여 지하 채굴적에 지반 안정성을 높일 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 광산 채굴공동 충전용 저시멘트계 충전재의 실시예를 설명한다. 하기의 실시예는 범위안에서 임의로 작성한 것입니다. 각 재료별 범위 안에서 수치를 변경하셔도 가능합니다.
1. 실시예 1(도 1참고) 가. 실시예 1-1 시멘트(C) 300g, 입도 3mm이며 진비중 1.5인 바텀애쉬(B/A) 5,700g, 입도 50㎛ 비표면적 4500㎠/g 진비중 2.0이며 구형으로 가공된 플라이애쉬(F/A) 2,500g, 물(W) 1500g을 교반기에 넣고 혼합하였다. 나. 실시예 1-2 시멘트 300g, 입도 3mm이며 진비중 1.5인 바텀애쉬 5,200g, 입도 50㎛ 비표면적 4500㎠/g 진비중 2.0이며 구형으로 가공된 플라이애쉬 3,000g, 물 1500g을 교반기에 넣고 혼합하였다. 다. 실시예 1-3 시멘트 300g, 입도 3mm이며 진비중 1.5인 바텀애쉬 4,700g, 입도 50㎛ 비표면적 4500㎠/g 진비중 2.0이며 구형으로 가공된 플라이애쉬 3,500g, 물 1500g을 교반기에 넣고 혼합하였다.
2. 실시예 2(도 2 참고) 가. 실시예 2-1 시멘트(C) 500g, 입도 3mm이며 진비중 1.5인 바텀애쉬(B/A) 5,500g, 입도 200㎛ 이며 진비중 3.0의 광미(M) 2500g, 물(W) 1500g을 교반기에 넣고 혼합하였다. 나. 실시예 2-2 시멘트 500g, 입도 3mm이며 진비중 1.5인 바텀애쉬 5,000g, 입도 200㎛ 이며 진비중 3.0의 광미 3,000g, 물 1500g을 교반기에 넣고 혼합하였다. 다. 실시예 2-3 시멘트 500g, 입도 3mm이며 진비중 1.5인 바텀애쉬 4,500g, 입도 200㎛ 이며 진비중 3.0의 광미 3,500g, 물 1500g을 교반기에 넣고 혼합하였다.
3. 실시예 3(도 3참고) 가. 실시예 3-1 시멘트 500g, 입도 3mm이며 진비중 1.5인 바텀애쉬 5,500g, 입도 200㎛ 이며 진비중 3.0의 광미 1,250g, 입도 50㎛ 비표면적 4500㎠/g 진비중 2.0이며 구형으로 가공된 플라이애쉬 1,250g, 물 1500g, 수중불분리제 80g을 교반기에 넣고 혼합하였다. 나. 실시예 3-2 시멘트 500g, 입도 3mm이며 진비중 1.5인 바텀애쉬 5,000g, 입도 200㎛ 이며 진비중 3.0의 광미 1,500g, 입도 50㎛ 비표면적 4500㎠/g 진비중 2.0이며 구형으로 가공된 플라이애쉬 1,500g, 물 1500g, 수중불분리제 80g을 교반기에 넣고 혼합하였다. 다. 실시예 3-3 시멘트 500g, 입도 3mm이며 진비중 1.5인 바텀애쉬 4,500g, 입도 200㎛ 이며 진비중 3.0의 광미 1,750g, 입도 50㎛ 비표면적 4500㎠/g 진비중 2.0이며 구형으로 가공된 플라이애쉬 1,750g, 물 1500g, 수중불분리제 80g을 교반기에 넣고 혼합하였다.
각 실시예에 따른 강도 특성은 다음과 같다.
1. 플라이애쉬 혼합형(실시예 1) 2. 광미 혼합형(실시예 2) 3. 광미 플라이애쉬 혼합형(실시예 3) |
