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발파

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1. 개요

발파는 암석이나 지반을 폭발물을 사용하여 파괴하는 기술을 의미한다. 1627년 헝가리에서 화약을 사용한 것이 시초이며, 다이너마이트와 동력 드릴의 발명으로 발전했다. 발파는 터널 건설 등 토목 공사에 널리 사용되며, 한국에서는 일제강점기에 도입되어 경제 개발과 함께 기술이 발전했다. 발파 공법은 구멍을 뚫고 폭약을 채워 폭파시키는 방식으로 진행되며, 여굴량 감소와 암반 지보 등의 기술이 사용된다.

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발파
개요
광산에서 드릴링 및 발파 작업
광산에서 드릴링 및 발파 작업
유형채굴 방법
사용 분야채굴
토목 공학
굴착
상세 정보
관련 작업천공 (드릴링)
폭파

2. 역사

1967년 콜로라도주 I-70 고속도로 건설 중 암석 발파


최초로 광산에서 폭발물을 사용한 것은 1627년 헝가리(현재 슬로바키아) 반스카 슈티아브니차에서였다.[3] 화약을 기계 도구 대신 사용한 이 혁신은 유럽과 아메리카 전역으로 빠르게 퍼져나갔다.

암석 발파는 구멍을 깊게 뚫고, 구멍 끝에 화약을 넣은 다음, 점토 등으로 구멍을 채우고 다지는 방식이었다. 구멍에 넣어둔 철사를 제거하고 화약 띠로 교체한 뒤, 지연 도화선에 불을 붙여 발파했다. 발파 작업자가 안전한 곳으로 대피할 시간을 주기 위해 지연 도화선은 충분히 오래 타도록 설계되었다.[4]

이 방법은 불확실성으로 인해 많은 사고가 발생했고, 안전을 위해 화약 통로를 형성하는 철사를 구리선으로 교체하여 전기 스파크를 제거하거나, 안전 뇌관을 사용했다. 안전 뇌관은 나중에 폭발물을 점화하기 위해 전기적 충전을 전달하는 긴 철사 조각으로 대체되었다. 1839년 찰스 파슬리는 스핏헤드에서 해상 위험이 된 영국 군함 HMS ''로열 조지''의 난파선을 파괴하기 위해 수중 발파에 이 방법을 처음 사용하였다.[4]

1843년 영국 토목 기사 윌리엄 큐비트는 사우스 이스턴 철도 건설의 일환으로 도버 근처의 백악 절벽을 제거하기 위해 약 8164.66kg의 화약을 사용했다. 약 400000cuyd의 백악이 이동되었으며, 이로 인해 회사는 6개월의 시간과 7000GBP의 비용을 절감했다.[4]

화약을 사용한 시추 및 발파는 1850년대에 건설된 미국의 블루 리지 터널과 같이 산업화 이전 시대에는 제한적으로 사용되었지만, 다이너마이트(1867년 특허)와 같은 더 강력하고 안전한 폭발물과 동력 드릴이 개발되면서 그 잠재력이 완전히 실현되었다.

시추 및 발파는 프레쥐스 철도 터널, 고트하르트 철도 터널, 심플론 터널, 융프라우 철도 뿐만 아니라 세계에서 가장 긴 도로 터널인 뢰르달 터널 등 전 세계의 터널 건설에 성공적으로 사용되었다.

1990년 미국에서는 21억kg의 상업용 폭발물이 소비되었으며(1인당 12m3), 이는 발파에 약 35억달러에서 40억달러 (1993년 기준)가 사용되었음을 뜻한다. 같은 해 소련은 총 27억kg의 폭발물을 소비하여 1위를 차지했고(1인당 13m3), 호주는 1인당 45m3로 가장 높은 폭발물 소비량을 보였다.[5]

3. 발파 공법

드릴 점보는 스톡홀름 아래의 시티바난 건설 중 폭약을 위한 구멍을 뚫는 데 사용된다.


볼트와 숏크리트로 고정하기 전에 굴착된 터널 라운드.


발파 공법은 암반에 구멍을 뚫고 폭약을 장전하여 폭발시키는 방식으로 진행된다.

3. 1. 발파 과정

발파는 다음과 같이 진행된다.

1. 발파 패턴 생성: 발파할 암석에 대한 패턴을 만든다.

2. 구멍 뚫기 및 폭약 채우기: 암석에 여러 개의 구멍을 뚫고 폭약을 부분적으로 채운다.

3. 스템밍(Stemming): 불활성 물질(스템밍)을 구멍에 채워 폭발력을 주변 암석으로 향하게 한다.[6]

4. 기폭: 폭발물을 기폭시켜 암석을 붕괴시킨다.

5. 잔해 제거 및 보강: 붕괴된 암석 잔해를 제거하고 새로운 터널 표면을 보강한다.

6. 반복: 원하는 굴착이 완료될 때까지 위 단계를 반복한다.

구멍의 위치와 깊이(각 구멍에 들어가는 폭약의 양)는 신중하게 구성된 패턴에 따라 결정되며, 개별 폭발의 정확한 타이밍과 함께 터널이 대략 원형 단면을 갖도록 한다.

작업 중에는 발파 매트를 사용하여 발파를 제어하고 먼지와 소음을 억제하며, 비석(파편) 방지 및 발파 방향을 유도할 수 있다.[7][8]

3. 2. 여굴량 감소

여굴(Overbreak)은 설계보다 더 많이 굴착되는 현상을 말한다. 여굴량을 감소시키기 위한 방법은 다음과 같다.

  • 백브레이크 방지
  • 조절 발파 공법 사용
  • 라인 드릴링(line drilling)
  • 쿠션 블라스팅(cushion blasting)
  • 스무스 블라스팅(smooth blasting)
  • 프리 스플리팅(pre splitting)
  • 적정 폭약량 사용

4. 누두 지수

누두공 그림. W : 최소저항선, R : 누두반경


누두 지수(n)는 누두공의 형상을 나타내는 값이다.

n = \frac RW

5. 암반 지보

암반 지보는 굴착된 암반의 붕괴를 방지하고 안전성을 확보하기 위한 작업이다. 터널이나 굴착 작업 시 암반이 굴착 공간으로 떨어지는 것을 막기 위해 천장과 측벽을 지지해야 한다. 암반 지지 방법은 매우 다양하며, 일반적인 암반 지지 시스템에는 록 볼트, 숏크리트 등이 있다.

5. 1. 암반 지보 방법

암반 지보 방법은 터널 또는 굴착 작업 시 암반이 굴착 공간으로 떨어지는 것을 막기 위해 천장과 측벽을 지지하는 다양한 방법들을 포함한다. 일반적인 암반 지지 시스템은 다음과 같다.

  • 록 볼트 또는 록 다웰
  • 숏크리트
  • 립 또는 광산 아치 및 래깅
  • 케이블 볼트
  • 현장 타설 콘크리트


일반적으로 암반 지지 시스템에는 위에 소개된 지지 방법 중 여러 가지가 포함되며, 각각은 록 볼팅과 숏크리트의 조합과 같이 암반 지지에서 특정 역할을 수행하도록 설계되었다.

참조

[1] 서적 The Shot-Firer's Guide https://archive.org/[...] "The Electrician" Printing and Publishing Company Ltd.
[2] 서적 Tunelling and tunnel mechanics: a rational approach to tunnelling https://archive.org/[...] Springer-Verlag
[3] 웹사이트 The Art of Blasting on Construction and Surface Mining Sites http://www.onepetro.[...] 2023-07-28
[4] 간행물 The National Cyclopaedia of Useful Knowledge Charles Knight
[5] 서적 Rock Blasting and Explosives Engineering. CRC Press
[6] 웹사이트 Chapter 7, Loading Boreholes https://www.nps.gov/[...] 2021-04-21
[7] 서적 Recycling of Demolished Concrete and Masonry https://books.google[...] CRC Press 2020-11-10
[8] 웹사이트 Incidents like Cape Ray blasting mishap deemed rare http://www.cbc.ca/ne[...] CBC News 2015-08-27



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