화약충전체의 지중폭발에 의한 지질물질 파괴예측 연구

Abstract

본 논문은 화약충전체의 지중 폭발에 의해 지질 물질에 발생하는 파괴 양상을 예측하고 특정 지질 물질 내부의 지하시설물 파괴예측을 위한 화약량을 추정할 수 있는 방법을 제안하였다. 화약충전체를 이용한 지중 발파로 인하여 발파 지점 근거리 암반은 압쇄 되거나 균열이 발생하고, 원거리 암반은 탄성파 형태가 전파되며, 각 파괴 양상은 화약충전체의 종류와 양, 지중 암반의 특성에 따라 다양하게 나타난다. 하지만 이러한 파괴 양상에 대한 연구는 금전적, 시간적 측면에서 많은 비용을 필요로 하고, 실험적 연구를 통해 검증이 필요하지만 화약의 위험성 때문에 민간/방산 분야 모두 실질적 연구는 부족한 실정이다. 또한 지질 물질 자체에 대한 물질적인 특성으로 추정하는 파괴예측기법은 많이 발전되어 왔으나 지질 물질에 대한 화약의 기폭에 의한 실험적 방법에 의한 파괴 예측은 부족한 실정이다. 따라서 관련 연구의 시작점으로 본 논문에서는 지질 물질 중 지중 물질의 파괴 양상에 대한 예측 기법을 연구하기 위하여 아래와 같이 제안하고 검증을 수행하였다. 먼저 한반도 지질 특성에 적합하고 대부분의 지중물질을 구성하고 있는 석회암과 화강암을 선정하였고, 고폭화약 3종을 선정하였다. 다음으로 선정된 지중 물질이 분포된 지역을 분석하여 해당 지질 특성을 대표할 수 있는 시험 지역을 결정하였다. 선정된 3종의 고폭화약은 각 목적 별 특성을 대표할 수 있는 화약이며, 실제 기폭 시험을 수행하기 위한 설계 및 제작을 수행하였다. 이를 통해 선정된 각 지질 물질 별 시험지역에서 화약충전체의 기폭 시험을 수행하였다. 기폭 시험 시 계측시스템을 설계하여 기폭 지점에서의 폭압, 일정 거리 별 발파진동속도, 진동가속도를 계측하여 획득 및 분석하였다. 획득한 거리 별 지반진동속도를 통해 각 시험 별 PPV(Peak Particle Velocity)에 대한 PVS(Peak Vector Sum)을 도출하여 발파 진동 수준을 예측할 수 있는 자승근 및 삼승근 발파진동식을 추정하였고, 이를 토대로 지질 물질 별, 거리와 화약량에 따른 파괴 기준을 예측할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘은 MATLAB을 이용하여 GUI Software를 구축하였으며 알고리즘에 대한 검증을 수행하였다. 본 연구를 통하여 민간에서는 지중의 광물자원 확보 또는 핵심 지하시설 구축을 위한 안전 발파 설계를 위해 활용될 수 있으며, 화약의 기폭에 유사한 지진과 같은 현상에 대비하기 위한 구조물 신속 설계를 위해 활용할 수 있으며, 방산분야에서는 핵심 시설 무력화, 시설의 붕괴 등 효과적인 무기체계의 임무수행을 위한 개념설계 단계에서 활용할 수 있다.