확공기의 운용조건 결정 장치 및 그 방법{Apparatus for determining the operating condition for reamer and, methods thereof}
본 발명은 확공기의 운용조건 결정 장치에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는 공사 현장의 암반에 따라 확공기의 회전속도(RPM)와 공기압을 최적으로 결정할 수 있는 장치에 대한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 장치 또는 이러한 장치를 이용하여 도출된 수학식을 이용하여 확공기의 운용조건을 결정하는 방법에 대한 것이기도 하다.
일반적으로, 확공기는 지반 또는 암반 속에 이미 형성되어 있는 굴착공을 넓히기 위해 사용된다. 확공기에는 해머가 설치될 수 있는데, 해머의 선단에 장착된 해머비트는 공기압에 의해서 왕복 이동하면서 암반을 타격한다. 해머의 타격은 확공기 자체의 회전과 협력하여 효율적인 굴착이 이루어질 수 있도록 하는데, 이러한 확공기는 대한민국 등록특허 제1072232호, 제1085362호, 제1072232호 등에 그 구성이 개시되어 있다. 한편, 암반을 확공하는 경우, 암반의 상태에 따라 확공기의 운용 조건을 달리해야 할 필요성이 있다. 예를 들어, 암반의 강도가 큰 경우와 강도가 작은 경우에는 확공기의 운용 조건을 달리하는 것이 에너지 절감과 효율적인 굴착을 위해 바람직할 것이다. 확공기의 운용 조건은 기술자의 경험에 의존하거나 공사현장에서 시험 굴착을 수행해서 결정될 수 있다. 그러나, 기술자의 경험에 의존하는 것은 정확하지 못할 가능성이 있다는 문제점이 있고, 시험 굴착에 의하는 것은 공사 기간과 공사 비용이 늘어날 수 있다는 문제점이 있다. 더욱이, 암반의 상태는 공사 현장마다 다르고, 동일한 공사 현장에서도 각 구간마다 암반의 상태가 다를 수 있기 때문에 확공기의 운용조건을 최적으로 결정하는 것이 용이하지 않다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 암반용 확공기의 운용조건을 결정하기 위한 장치 및 방법을 제공하고자 하는 목적을 갖는다. 본 출원인은, 오랜 연구와 경험을 통해서, 암반용 확공기의 굴착 속도와 1회 타격시 굴착량은 확공기의 회전속도(RPM)와 공기압에 큰 영향을 받는다는 것을 알게 되었다. 따라서, 본 발명은 비에너지(굴착에 소요되는 에너지를 굴착량으로 나눈 것, MJ/m 3 )를 최소화할 수 있는 확공기의 회전속도(RPM)와 공기압을 결정하기 위한 장치와 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 특히, 본 발명은 공사현장에서 확공기가 작동하는 것을 모델링함으로써 시험비용과 시간을 대폭 절약할 수 있는 장치 및 방법을 제공하고자 하는 목적을 갖는다.
상기 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 확공기의 운용조건 결정 장치는 공사현장의 암반에 따라 확공기의 회전속도(RPM)와 확공기에 공급되는 공기압을 최적으로 결정한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 장치에서는 암석 시편(s)과 해머(127) 중에서 어느 하나가 수평으로 직선 이동되는 상태에서 해머(127)가 암석 시편(s)을 타격한다. 상기 타격과 상기 직선 이동에 소요된 에너지 및 상기 타격에 의한 굴착량을 측정하여 비에너지가 최소로 되는 공기압과 회전속도(RPM)를 결정한다. 구체적으로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 장치는, 해머(127)의 하단에 설치된 해머 비트(128)를 상하 왕복이동시켜 암석시편(s)을 타격하는 타격 유닛; 내부에 암석 시편을 고정한 상태에서 해머(127)의 아래쪽에서 직선 이동이 가능하도록 설치된 시편고정 유닛(130); 및 시편고정 유닛(130)을 직선 이동시키는 이동 유닛(140);을 포함한다. 상기 이동 유닛(140)이 시편고정 유닛(130)을 직선 이동시키는 상태에서 상기 타격이 이루어진다. 상기 장치에서 타격 유닛은, 베이스 프레임(121); 베이스 프레임(121)에 수직으로 설치되어 해머를 지지하는 수직 가이드(122); 및 수직 가이드(122)에 지지되도록 설치되고, 상기 해머비트(128)와 실린더가 구비된 상기 해머(127);를 포함한다. 실린더가 공기압에 의해서 팽창되면 해머비트(128)가 암석시편(s)을 타격한다. 이 때, 이동 유닛(140)은 확공기(1)에 장착된 해머비트(3)(4)의 회전속도(RPM)와 대응하는 속도로 암석 시편(s)을 직선 이동시킨다. 한편, 본 발명의 제2~4 실시예에 따른 장치에서는 해머(127)가 직선 이동하고 암석시편(s)이 고정된 상태에서 해머비트(128)의 타격이 이루어진다. 구체적으로, 제2 실시예에 따른 장치에서 타격 유닛은, 관통공(222)이 양측에 형성된 베이스 프레임(221); 베이스 프레임(221)에 수직으로 설치되어 해머(127)를 지지하는 수직 가이드(122); 및 수직 가이드에 지지되도록 설치되고, 상기 해머비트(128)와 실린더가 구비된 상기 해머(127);를 포함한다. 상기 실린더가 공기압에 의해 팽창되면 해머비트가 암석시편을 타격하게 된다. 그리고, 이동 유닛은, 관통공(222)에 회전 가능하도록 설치된 이송 스크류(242); 및 이송 스크류(242)를 회전시키는 회전모터(243);를 포함한다. 회전모터(243)에 의해서 이송 스크류(242)가 회전되면 베이스 프레임(221)이 직선 이동하며, 이동유닛은 확공기(1)에 장착된 해머비트(3)(4)의 회전속도(RPM)와 대응하는 속도로 베이스 프레임(221)을 직선 이동시킨다. 또한, 제3 실시예에 따른 장치에서 타격 유닛은, 베이스 프레임(121); 베이스 프레임(121)에 수직으로 설치되어 해머를 지지하는 수직 가이드(122); 및 수직 가이드(122)에 지지되도록 설치되고, 상기 해머비트(128)와 실린더가 구비된 상기 해머(127);를 포함한다. 상기 실린더가 압축공기에 의해서 팽창되면 해머비트(128)가 암석시편(s)을 타격하게 된다. 이동 유닛은 확공기(1)에 장착된 해머비트(3)(4)의 회전속도(RPM)와 대응하는 속도로 베이스 프레임(121)을 직선 이동시킨다. 아울러, 제4 실시예에 따른 장치에서 타격 유닛은 이동유닛(440)에 의해 이동되고 암석시편(s)은 고정된 상태를 유지한다. 한편, 본 발명에 따른 장치에 구비된 시편고정 유닛은, 암석시편이 내부에 수납될 수 있는 공간을 갖고 상측이 개방된 케이스(131); 케이스(131)의 내부에 수납된 암석시편과 케이스 사이의 간격을 메우도록 타설되어 암석시편을 고정하는 콘크리트부(132);를 포함할 수 있다. 본 발명에서는 확공기(1)에 장착된 외곽 해머비트(3)를 모델링할 때의 암석시편(s) 또는 해머(127)의 이동속도(V1)가 확공기(1)에 장착된 내곽 해머비트(4)를 모델링할 때의 암석시편(s) 또는 해머(127)의 이동속도(V2) 보다 빠르다. 또한, 본 발명의 제1~4 실시예에 따르면, 상기 직선 이동 속도 및 공기압을 다르게 하면서 암석시편에 대해서 반복적으로 시험하여 상기 직선 이동 속도 및 공기압에 따른 굴착량을 측정함으로써 비에너지를 구하고, 상기 비에너지가 최소로 되는 공기압과 상기 직선 이동 속도를 구할 수 있다. 나아가, 본 발명의 제1~4 실시예에 따르면, 복수 개의 암석시편에 대해서 각각 비에너지가 최소로 되는 암석시편(s) 또는 해머(127)의 직선 이동속도 및 공기압을 구하고, 이를 이용하여 비에너지가 최소로 되기 위한 공기압과 단축압축강도(UCS) 사이의 수학식 및, 확공기의 회전속도(RPM 즉, 암석시편(s) 또는 해머(127)의 직선 이동속도)와 단축압축강도(UCS) 사이의 수학식을 얻을 수 있다. 상기 수학식은 아래와 같다. 단, 상기 수학식에서, P air : 공기압 RPM : 확공기의 회전속도 UCS : 암석의 단축압축강도. 본 발명의 다른 측면인, 확공기의 운용조건 결정 방법은, 상기 수학식에 암석의 단축압축강도(UCS)를 대입함으로써 비에너지가 최소로 되는 확공기 회전속도(RPM)와 공기압을 결정할 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 수학식은 확공기(1)의 암반굴착을 모델링한 장치를 이용하여 복수 개의 암석시편(s)에 대해 굴착시험을 하여 구하고, 상기 장치는 암석시편(s)과 해머비트(128) 중 어느 하나가 직선이동하고 나머지 하나가 고정된 상태에서 해머 비트(128)가 암석시편(s)을 타격한다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다. 첫째, 공사 현장의 암반상태에 따라 확공기의 운용 조건을 최적으로 결정할 수 있다. 둘째, 확공기의 회전 굴착을 해머 또는 암석시편의 직선이동으로 구현함으로써 장치의 구성이 간단해지고 단가가 저렴하다. 셋째, 확공기의 회전 굴착 메카니즘을 모델링함으로써 확공기의 최적 운용 조건을 작은 비용과 시간으로 알아낼 수 있다. 넷째, 공사 현장에서 얻어진 암석의 단축압축강도(UCS, uniaxial compressive strength)만을 알면 확공기의 최적 운용조건을 결정할 수 있다.
도 1은 암반에 사용될 수 있는 확공기를 보여주는 사시도.
도 2는 도 1의 확공기를 보여주는 측면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른, 확공기의 운용조건 결정 장치를 보여주는 사시도.
도 4는 도 1의 장치에 구비된 해머비트를 보여주는 사시도.
도 5는 도 1의 장치에 구비된 시편고정 유닛 및, 시편고정 유닛에 고정된 암석 시편을 보여주는 단면도.
도 6은 도 5의 시편고정 유닛과 암석 시편을 보여주는 평면도.
도 7과 도 8은 도 5의 암석시편에서 해머비트에 의해 타격되는 영역을 각각 보여주는 평면도.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 확공기의 운용조건 결정 장치를 보여주는 사시도.
도 10은 도 9의 장치에 구비된 이동유닛을 보여주는 사시도.
도 11은 도 9의 장치에 구비된 베이스 프레임과 수직 가이드를 보여주는 사시도.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른, 확공기의 운용조건 결정 장치를 보여주는 사시도.
도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른, 확공기의 운용조건 결정 장치를 보여주는 사시도.
도 14는 경암에 대해 얻어진, 비에너지와 공기압 및 확공기 회전속도의 관계를 보여주는 3차원 그래프.
도 15는 경암에 대해 얻어진, 비에너지와 공기압 및 확공기 회전속도의 관계를 보여주는 등고선 그래프.
도 16은 경암에 대해 얻어진, 비에너지와 공기압의 관계 및 비에너지와 확공기 회전속도의 관계를 보여주는 그래프.
도 17은 경암과 중경암 및 보통암에 대해서 얻어진, 공기압과 단축압축강도의 관계를 보여주는 그래프.
도 18은 경암과 중경암 및 보통암에 대해서 얻어진, 확공기 회전속도와 단축압축강도의 관계를 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 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 장치 및 방법은 암반용 확공기를 위한 것이지만, 암반용 확공기 뿐만 아니라 다양한 확공기에도 적용될 수 있는데, 이러한 점은 본 명세서를 참조한 당업자가 자명하게 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위를 암반용 확공기에만 한정하여 해석하여서는 아니될 것이다.
먼저, 본 발명을 설명하기에 앞서서, 본 발명의 적용 대상이 될 수 있는 확공기의 일례를 설명하기로 한다. 아래의 설명은 본 발명이 적용될 수 있는 일례를 설명하는 것일 뿐이고 본 발명의 적용대상을 한정하는 것은 아니다. 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 확공기(1)는 몸체(2)와, 몸체(2)에 왕복 이동 가능하도록 설치된 해머를 구비한다. 몸체(2)는 구동로드(5)에 연결되어 소정의 회전속도(RPM)로 회전된다. 그리고, 해머의 선단에는 해머비트(3)(4)가 장착되어 있고, 해머비트(3)(4)는 공기압에 의해 왕복 이동하면서 전방(前方)의 암반(도면에 미도시)을 타격한다. 몸체(2)에는 복수 개의 해머가 구비되는데, 효율적인 굴착을 위해 복수 개의 해머는 몸체(2)의 중심을 기준으로 외곽과 내곽에 분산되어 배치된다. 도면은 외곽에 2개의 해머비트(3)가 설치되고 내곽에 2개의 해머비트(4)가 설치된 것을 보여준다. 확공기가 회전되면 외곽 해머비트(3)는 반경 r1의 원을 그리면서 암반을 타격하고 내곽 해머비트(4)는 반경 r2의 원을 그리면서 암반을 타격한다.
1. 제1 실시예 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른, 확공기의 운용조건 결정 장치를 보여주는 사시도이다. 도면을 참조하면, 상기 장치(100)는 하부 프레임(110)과, 암석시편(s)을 타격하는 타격 유닛과, 암석 시편(s)을 고정하는 시편고정 유닛(130)과, 시편고정 유닛(130)을 직선 이동시키는 이동 유닛(140)을 포함한다. 본 실시예에 따른 장치(100)에서는 암석시편(s)이 직선 이동하는 상태에서 해머(127)에 의한 타격이 이루어진다. 하부 프레임(110)은 그 아래에 시편고정 유닛(130)이 통과할 수 있는 공간을 형성한다. 하부 프레임(110)의 위에는 베이스 프레임(121)이 고정되도록 설치된다. 타격 유닛은 그 위치가 고정된 상태에서 해머비트(128)를 수직으로 왕복 이동시켜 암석 시편(s)을 타격한다. 타격 유닛은 하부 프레임(110)의 위에 설치된 베이스 프레임(121)과, 베이스 프레임(121)의 윗면에 수직으로 설치된 수직 가이드(122)와, 암석 시편(s)을 타격하는 해머(127)를 구비한다. 베이스 프레임(121)은 하부 프레임(110)에 고정되도록 설치된 것으로서, 그 위에는 수직 가이드(122)와 해머(127)가 설치된다. 수직 가이드(122)는 베이스 프레임(121)에 수직으로 세워지는데, 수직 가이드(122)에는 고정부(123)가 설치된다. 고정부(123)는 해머(127)의 상단을 고정하는데, 고압공기 호스(124)는 고정부(123)를 관통하여 해머(127)와 연결된다. 고압공기 호스(124)는 해머의 왕복이동을 위한 압축공기를 공급한다. 한편, 수직 가이드(122)는 지지봉(125)에 의해 지지될 수 있다. 해머(127)는 베이스 프레임(121)에 수직으로 설치되는데, 그 상단은 고정부(123)에 고정되고, 그 하부는 베이스 프레임(121)에 설치된 고정판(126)에 고정된다. 해머(127)는 압축공기에 의해서 작동하는 실린더와, 실린더의 신축에 의해 상하 왕복이동하면서 암석시편(s)을 타격하는 해머비트(도 3 및 도 4의 128)를 구비하는데, 이러한 해머(127)의 구조는 공지된 것이므로 여기서는 그 설명을 생략하기로 한다. 상기 압축공기는 장치 외부에 설치된 압축공기 탱크(도면에 미도시)로부터 공급될 수 있다. 그리고, 베이스 프레임(121)에는 장치의 작동에 필요한 전원 공급원(예를 들어, 밧데리 등)이 설치될 수도 있다. 한편, 본 발명에서 암석시편(s)은 시편고정 유닛(130)에 의해 고정되는데, 도 5 및 도 6에 나타난 바와 같이, 시편고정 유닛(130)은 케이스(131)와, 케이스(131)의 측면 내부쪽에 형성된 콘크리트부(132)를 구비한다. 케이스(131)는 그 내부에 암석시편(s)을 수납한 상태에서 직선이동 가능하고 해머비트(128)의 타격에 의해서 진동이 발생되지 않는 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이를 위해, 케이스(131)의 하부에는 가이드부(133)가 구비될 수 있다. 가이드부(133)는 슬라이딩이 가능하도록 레일(145)과 체결된다. 콘크리트부(132)는 암석시편(s)과 케이스(131) 사이에 형성되어 암석시편(s)을 고정한다. 콘크리트부(132)는 암석시편(s)의 4 측면 모두에 형성될 수 있다. 암석시편(s)은 공사 현장에서 채취된 샘플로서, 도면에 도시된 바와 같이, 시험의 용이성을 위해서 직육면체 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이동유닛(140)은 시편고정 유닛(130)을 직선 이동시킨다. 이동유닛(140)은 케이스(131)에 연결된 연결부재(141)와, 연결부재(141)를 당겨서 시편고정 유닛(130)을 이동시키는 이동부재(142)를 구비할 수 있다. 이동부재(142)로는 케이스(131)를 일정한 속도로 당길 수 있는 통상적인 압입장비(pulling M/C)가 사용될 수 있고, 연결부재(141)로는 강연선, 로프 등이 사용될 수 있다. 아울러, 시편고정 유닛(130)의 직선 이동을 돕고 진동을 방지하기 위해서 이동유닛(140)은 레일(145)을 더 구비할 수도 있는데, 레일(145)은 지면 등에 설치될 수 있다. 이동 유닛(140)은 확공기(1)에 장착된 해머비트(3)(4)의 회전속도와 대응하는 속도로 암석 시편(s)을 직선 이동시킨다. 구체적으로, 암석 시편(s)의 직선 이동속도와 상기 회전속도(RPM)는 아래와 같은 관계를 갖는다. V=r×ω 여기서, V : 암석 시편(s)의 직선 이동속도 r : 확공기(1)의 중심과 해머비트(3)(4) 사이의 거리 ω : 확공기(1)에 장착된 해머비트(3)(4)의 회전 속도 한편, 확공기(1)는 외곽 해머비트(3)와 내곽 해머비트(4)를 갖는데, 확공기(1)가 회전될 때 외곽 해머비트(3)와 내곽 해머비트(4)의 회전속도가 서로 상이하다. 본 발명에서는 이러한 점을 고려하여, 외곽 해머비트(3)에 의한 타격을 모델링하는 경우의 암석시편 이동속도와 내곽 해머비트(4)에 의한 타격을 모델링하는 경우의 암석시편 이동속도를 다르게 한다. 도 7은 외곽 해머비트(3)에 의한 타격을 모델링하는 경우를 보여주고 있는데, 원(136)은 해머비트(128)에 의한 타격이 이루어지는 부분을 나타내고 V1은 암석시편(s)의 이동속도를 나타낸다. 그리고, 도 8은 내곽 해머비트(4)에 의한 타격을 모델링하는 경우를 보여주고 있는데, 원(137)은 해머비트(128)에 의한 타격이 이루어지는 부분을 나타내고 V2는 암석시편(s)의 이동속도를 나타낸다. 이 때, V1>V2이다. 한편, 원(136)과 원(137)은 그 위치가 다르지만 그 일부분이 중복될 수 있는데, 외곽 해머비트(3)에 의한 타격을 모델링한 후 하부 프레임(110) 또는 암석시편(s)을 옆으로 조금 이동시킨 후 타격함으로써 내곽 해머비트(4)에 의한 타격을 모델링할 수 있다. 그리고, 사각형(138)은 해머비트(128)에 의한 타격이 이루어지는 영역을 나타내는데, 원(136)과 원(137)에 의해서 형성된 것이다. 이와 같이, 본 발명에서는 외곽 해머비트(3)와 내곽 해머비트(4)의 모델링시 암석시편(s)의 이동속도를 다르게 함으로써 확공기의 실제 굴착에 더욱 근접한 결과를 얻을 수 있다.
2. 제2 실시예 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 확공기의 운용조건 결정 장치를 보여주는 사시도이다. 도 9의 도면 참조부호 중에서 도 1 내지 도 8의 도면 참조부호와 동일한 것은 동일한 구성요소를 나타낸다. 도면에 나타난 바와 같이, 상기 장치(200)는 하부 프레임(110)과, 암석시편(s)을 타격하는 타격 유닛과, 암석 시편을 고정하는 시편고정 유닛(130)과, 타격 유닛을 직선 이동시키는 이동 유닛(240)을 포함한다. 본 실시예에 따른 장치(200)에서는 암석시편(s)이 고정된 상태에서 해머(127)가 직선 이동하면서 해머비트(128)에 의한 타격이 이루어진다. 하부 프레임(110)은 그 하측에 시편고정 유닛(130)이 위치할 수 있는 공간을 형성한다. 하부 프레임(110)의 상면에는 이동유닛(240)이 설치된다. 하부 프레임(110)의 하단은 지면 또는 소정의 평판(도면에 미도시) 등에 고정되도록 설치될 수 있다. 이동 유닛(240)은, 도 10에 나타난 바와 같이, 브라켓(241)과, 브라켓(241)에 회전 가능하도록 설치된 이송 스크류(242) 및, 이송 스크류(242)를 회전시키는 회전모터(243)를 구비한다. 이송 스크류(242)의 외주면에 형성된 나사산과 관통공(222)의 내주면에 형성된 나사산이 서로 맞물리기 때문에 이송 스크류(242)가 회전되면 베이스 프레임(221)이 직선 이동될 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에서는, 암석시편(s)이 고정된 상태에서, 이송 스크류(242)의 회전에 의해서 해머(127)가 직선 이동되면서 암석시편을 타격하게 된다. 이 때, 해머(127)의 직선 이동 속도는 확공기(1) 해머비트(3)(4)의 회전속도와 대응되는데, 이 점에 대해서는 상술된 바 있다. 타격 유닛은 베이스 프레임(221)과, 베이스 프레임(221)에 설치된 수직 가이드(122) 및, 해머(127)를 구비한다. 베이스 프레임(221)은, 도 11에 나타난 바와 같이, 그 양측에 형성된 관통공(222)과 바퀴(223) 및 수직대(224)를 구비한다. 관통공(222)에는 이송 스크류(242)가 관통하여 설치되고, 바퀴(223)는 베이스 프레임(221)의 이동을 용이하도록 한다. 수직대(224)에는 수직 가이드(122)가 설치된다. 수직 가이드(122)와, 수직 가이드(122)에 설치되는 지지봉(125) 및, 고정부(126)는 제1 실시예의 수직 가이드(122)와 지지봉(125) 및 고정부(126)와 각각 동일하다. 아울러, 해머(127) 및 해머(127)의 작동과정도 제1 실시예에서와 동일하다. 시편 고정유닛(130)은 그 내부에 암석시편(s)을 고정하는 것으로서, 케이스(131)와, 케이스(131)의 측면 내부쪽에 형성된 콘크리트부(132)를 구비한다. 콘크리트부(132)는 제1 실시예의 콘크리트부(132)와 그 구성이 동일하고, 케이스(131)는 가이드부(133)를 갖지 않는다는 것을 제외하면 제1 실시예의 케이스(131)와 동일하다. 또한, 케이스(131)는 해머 타격시 흔들리지 않도록 지면 또는 평판(도면에 미도시) 등에 설치되는 것이 바람직하다.
3. 제3 실시예 도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른, 확공기의 운용조건 결정 장치를 보여주는 사시도이다. 도면에 나타난 바와 같이, 상기 장치(300)는 하부 프레임(310)과, 암석시편(s)을 타격하는 타격 유닛과, 암석 시편(s)을 고정하는 시편고정 유닛(130)과, 타격 유닛을 직선 이동시키는 이동 유닛(340)을 포함한다. 본 실시예에서는 암석시편(s)이 고정된 상태에서 해머(127)가 직선 이동하면서 해머비트(128)에 의한 타격이 이루어진다. 하부 프레임(310)은 그 하측에 시편고정 유닛(130)이 위치하여 이동할 수 있는 공간을 형성한다. 하부 프레임(310)의 위에는 베이스 프레임(121)이 고정되도록 설치된다. 하부 프레임(310)의 하단에는 가이드부(311)가 구비되는데, 가이드부(311)는 레일(345)에 슬라이딩 가능하도록 체결되고, 이에 따라, 해머 타격시의 진동을 없애거나 줄일 수 있다. 타격 유닛은 베이스 프레임(121)과, 베이스 프레임(121)에 설치된 수직 가이드(122) 및, 해머(127)를 구비한다. 베이스 프레임(121)은 하부 프레임(110)에 고정되어 있고, 그 일측면은 연결부재(341)에 연결되어 있다. 따라서, 이동유닛(340)이 연결부재(341)를 당기면 베이스 프레임(121)과 하부 프레임(310)은 함께 슬라이딩 되어 이동된다. 수직 가이드(122)와 지지봉(125)과 고정부(123)는 제1,2 실시예의 수직 가이드(122)와 지지봉(125) 및 고정부(123)와 각각 동일하고, 해머(127) 및 해머(127)의 작동과정도 제1,2 실시예에서와 동일하다. 시편 고정유닛(130)은 그 내부에 암석시편(s)을 고정하는 것으로서, 케이스(131)와, 케이스(131)의 측면 내부쪽에 형성된 콘크리트부(132)를 구비한다. 콘크리트부(132)는 제1,2 실시예의 콘크리트부(132)와 그 구성이 동일하고, 케이스(131)는 제2 실시예의 케이스와 동일하다. 또한, 케이스(131)는 해머 타격시 흔들리지 않도록 지면 또는 평판(도면에 미도시) 등에 설치되는 것이 바람직하다. 이동 유닛(340)은 타격 유닛을 직선 이동시킨다. 이동유닛(340)은 베이스 프레임(121)에 연결된 연결부재(341)와, 연결부재(341)를 당겨서 시편고정 유닛(130)을 이동시키는 이동부재(342)를 구비할 수 있다. 이동부재(342)로는 케이스(131)를 일정한 속도로 당길 수 있는 통상적인 압입장비(pulling M/C) 등이 사용될 수 있고, 연결부재(341)로는 강연선, 로프 등이 사용될 수 있다. 이와 같이, 암석시편(s)이 고정된 상태에서, 이동유닛(340)의 당김에 의해서 해머(127)가 직선 이동되면서 암석시편을 타격하게 된다. 이 때, 해머(127)의 직선 이동 속도는 확공기 해머비트(3)(4)의 회전속도와 대응되는데, 이 점에 대해서는 상술한 바 있다.
4. 제4 실시예 도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른, 확공기의 운용조건 결정 장치를 보여주는 사시도이다. 도면에 나타난 바와 같이, 상기 장치(400)는 암석시편(s)을 타격하는 타격 유닛과, 암석 시편(s)을 고정하는 시편고정 유닛(130) 및, 타격 유닛을 직선 이동시키는 이동 유닛(440)을 포함한다. 본 실시예에서는 암석시편(s)이 고정된 상태에서 해머(124)가 직선 이동하면서 타격이 이루어진다. 타격 유닛은 수직 가이드(122)와, 수직 가이드(122)에 설치된 고정부(123) 및, 해머(127)를 구비한다. 수직 가이드(122)와 고정부(123)는 상술한 수직 가이드(122) 및 고정부(123)와 각각 동일하다. 해머(127)의 상단은 고정부(123)에 고정되고 해머(127)의 하단은 소정의 체결구(해머의 하단과 수직 가이드를 연결하도록 설치되는 체결구, 도면에 미도시)에 의해 고정될 수 있다. 시편 고정유닛(130)은 그 내부에 암석시편(s)을 고정하는 것으로서, 케이스(131)는 해머 타격시 진동하지 않도록 지면이나 평판(도면에 미도시) 등에 설치되는 것이 바람직하다. 이동 유닛(440)은 타격 유닛을 직선 이동시킨다. 이동유닛(440)으로는 일정 속도로 수직 가이드(122)를 이동시킬 수 있는 통상적인 장비(예를 들어, 크레인 등)가 사용될 수 있다. 이동 유닛(440)의 붐(441)은 해머 타격시의 진동에 의해 수직 가이드(122)가 흔들리지 않도록 고정할 수 있는 정도의 강성을 가지는 것이 바람직하다. 본 실시예에서도 해머(127)의 직선 이동 속도는 확공기 해머비트(3)(4)의 회전속도와 대응되는데, 이 점에 대해서는 상술한 바 있다.
5. 장치의 작동과정 그러면, 본 발명에 따른 장치(100)를 이용하여 확공기의 최적 운용조건(압축공기의 공기압 및 회전속도)을 결정하는 과정을 설명하기로 한다. 상기 장치(100)를 제외한 나머지 장치(200)(300)(400)의 작동 및 최적 운용조건(압축공기의 공기압 및 회전속도) 결정 과정은 아래의 설명을 참조한 당업자가 자명하게 알 수 있을 것이다. 먼저, 공사현장에서 채취한 암석시편(s)을 케이스(131)에 수납하고 콘크리트를 타설하여 암석시편(s)을 고정한다. 암석시편(s)의 고정이 완료된 후에는 이동유닛(140)을 이용하여 시편고정 유닛(130)을 직선 이동시키면서 암석시편(s)을 타격한다. 이 때, 외곽 해머비트(3)를 모델링하는 경우에는 도 7에 나타난 바와 같이 속도 v1으로 시편고정 유닛(130)을 직선 이동시키면서 타격하고, 내곽 해머비트(4)를 모델링하는 경우에는 도 8에 나타난 바와 같이 속도 v2로 시편고정 유닛(130)을 직선 이동시키면서 타격한다. 구체적으로, 속도 v1으로 암석시편(s)을 이동시키면서 타격을 완료한 후, 시편고정 유닛(130)을 원위치시키고 하부 프레임(110)을 조금 옆으로 이동시킨 다음, 속도 v2로 암석시편(s)을 이동시키면서 타격을 하는데, 상기 타격은 타격 영역(138)을 대상으로 한다. 그리고, 속도 v1이 속도 v2 보다 약간 크도록 한다. 상기 속도 V1, V2는 확공기의 회전속도(RPM)과 대응되는 속도이다. 상기 타격은 압축공기를 해머(127)에 공급함으로써 이루어지는데, 상기 압축공기의 공기압에 따라 해머비트(128)의 타격강도가 달라진다. 상기 타격이 완료되면, 타격영역(138)의 굴착량을 측정하고 상기 굴착에 소요된 에너지를 구하여 비에너지를 계산한다. 상기 굴착량 측정은 모래 채움법, Shapemetrix 3D 등을 이용하여 이루어질 수 있는데, 이러한 방법은 이미 공지된 것이기 때문에 여기서는 그 설명을 생략하기로 한다. 굴착에 소요된 에너지는 해머(127)를 구동하는데 사용된 에너지(압축공기량과 공기압으로 구함)와 시편고정 유닛(130)을 이동시키는데 소요된 에너지를 합산함으로써 구할 수 있다. 그리고, 상기 비에너지(MJ/m 3 )는 소요된 에너지를 굴착량으로 나눔으로써 구할 수 있다. 공사현장에서 채취한 암석시편에 대해 상기와 같은 시험을 반복하여 공기압과 속도(V1, V2)에 따른 비에너지를 계산하고, 비에너지를 최소화하는 공기압과 속도(V1, V2)를 구함으로써 확공기의 최적 운용조건(공기압과 확공기 회전속도)을 구할 수 있다. 아래의 표 1은 경암(예를 들어, 화강암)에 대해 시험조건에 따른 굴착량 및 비에너지를 구한 것으로서, 확공기의 회전속도와 공기압에 따른 굴착량(굴착부피)과 비에너지를 보여준다.
도 14 내지 도 16은 표 1의 결과를 그래프로 보여준다. 상기 그래프를 분석해 보면, 비에너지가 최소가 되는 최적의 공기압, 회전속도 조합은 약 1900 kpa, 약 3.9 RPM으로 도출된다. 이 결과를 현장에 반영하면 공기압축기 3대, 확공기 회전속도를 4 RPM 내외로 운용하는 것이 굴착 효율을 가장 증대시킬 수 있을 것으로 판단된다. 이것은 경암 타격시, 암석 내부의 균열 발생을 위해서 3대 이상의 공기압축기가 투입되어야 하고, RPM을 낮은 수준으로 유지하며 조밀한 타격을 실시하여야 암반에 생긴 균열이 효율적으로 상호 연결된다는 것을 의미한다. 참고로, 공기압축기의 대수는 일반적으로 사용되는 공기압축기 1대가 토출하는 최대 압력이 2400 kpa임을 감안하여, 2대의 공기압축기를 사용하여 확공기를 운용할 경우를 1200 kpa로 가정하고, 3대는 1800 kpa, 4대는 2400 kpa로 가정하여 구한 것이다.
6. 회귀 분석식 도출 위 5에서는 경암에 대해서 최적운용조건을 구했는데, 상기 과정을 중경암과 보통암에 대해서도 반복하면 비에너지가 최소로 되는 확공기의 최적 운용조건을 각각 구할 수 있고, 아울러, 암석시편의 단축압축강도(UCS)에 따른 최적 운용조건 즉, 확공기의 회전속도와 공기압을 구할 수 있다. 도 17은 경암과 중경암 및 보통암에 대해서 구한 최적 공기압(y축)과 단축압축강도(UCS)(x축)을 xy 좌표축에 나타낸 후 회귀분석하여 그래프로 나타낸 것이고, 도 18은 경암과 중경암 및 보통암에 대해서 구한 최적 회전속도(y축)와 단축압축강도(UCS)(x축)을 xy 좌표축에 나타낸 후 회귀분석하여 그래프로 나타낸 것이다. 상기 회귀분석으로 얻어진 그래프의 식은 아래와 같다.
단, 상기 수학식 1, 2에서, P air : 공기압(KPa) RPM : 확공기의 회전속도 UCS : 암석의 단축압축강도(MPa).
상기 수학식 1,2를 이용하면, 공사현장에서 채취한 암석의 단축압축강도만을 알면 확공기의 최적 운용조건(공기압, 확공기의 회전속도)을 결정할 수 있다는 장점이 있다.
1 : 확공기 2 : 몸체
3 : 외곽 해머비트 4 : 내곽 해머비트
110, 310 : 하부 프레임 121, 221 : 베이스 프레임
122 : 수직 가이드 127 : 해머
128 : 해머 비트 130 : 시편고정 유닛
140, 240, 340, 440 : 이동유닛
100, 200, 300, 400 : 확공기의 운용조건 결정 장치 |
