1. 개설 : 암반의 굴착은 화약을 사용한 발파공법과 기계식 파쇄공법으로 분류할 수 있으며 화약에 의한 발파공법이 가장 효과적이고 경제적이어서 일반적으로 많이 사용되고 있다. 발파에 의한 굴착은 기계의 힘으로 굴착이 어려운 암반을 파쇄하기 위하여 화약을 구성하고 있는 물질의 화학반응에 의해 고온, 고압, 고속의 기체를 생성하는 과정에서 방출하는 에너지를 이용한다. 특히 도심지 발파에서는 진동, 소음, 비산 등의 발파 공해가 발생하므로 작업의 안전성과 민원 등을 고려하여 주변 여건과 지반 조건에 적합한 발파 방법을 적용해야 한다.
1) 발파에 의한 암반의 파괴 특성
암반 내에서 폭약이 폭발하여 발생한 폭굉파의 충격에 의해 암반 내에서 발생한 충격파가 암반으로 전파해 간다. 이어서 암반은 폭발에 의해 발생한 가스의 팽창에 의한 정적 압력을 받는다. 폭발에 의한 파괴는 암반 중을 전파하는 동적인 충격 응력과 가스압의 작용에 의하여 일어난다. 폭약의 폭굉 압은 기폭 후 수 μ sec에서 최대치에 도달하고 압력은 100,000 기압 이상으로 추정된다. 초고압을 받은 암석은 충격점 근처에서 유체적인 거동을 보이며 3,000 ºC 이상의 고온에 의하여 폭원에서 수 mm ~ 수 cm 영역의 암석이 용융된다. 따라서 소성 유동 파가 발생하고 충격파로 되어 시간 경과와 함께 탄성파로 이행된다. 암반 내의 응력이 해방되면 단열 팽창에 따른 급격한 온도 저하에 의해 암석 구성 입자 사이의 열팽창 차이로 암석은 미세한 입자로 파쇄되는 용융 파쇄권이 폭약 반경의 2~3배 정도로 형성되고 이 충격파의 작용에 의해 균열이 발생하면 발생한 가스 압력에 의한 암석의 파쇄를 동반하여 전체가 파쇄된다.
2) 누두 공 이론 : 균질한 암반에 구멍을 뚫고 적당량의 폭약을 장전하여 폭발시킬 때 발생하는 원뿔 모양의 파쇄 공을 누두 공이라고 한다. 폭약의 위력이나 발파에 대한 암석의 저항성을 파악하여 장약량을 산정하는 자료를 얻기 위해서 누두 공 시험을 실시한다. 누두 공의 모양이 암반의 종류와 강도, 폭약의 위력, 전색 정도, 저항선 거리에 따라 달라지는 것을 관측하여 암반 파쇄에 필요한 폭약량을 구하기 위한 시험을 누두 공 시험이라고 한다. 누두 공의 반지름을 R, 장약의 중심에서 자유 면까지의 거리를 최소 저항선(W)이라고 하면 누두 공 형상은 R과 W의 비인 누두 지수(n)로 나타낼 수 있다.
- 누두 지수 : n = R/W
- 표준 장약 (n=1, R=W) : 가장 적절한 발파
- 약장 약 (n < 1) : 장약량이 불충분하여 공방이 되거나 부석이 남게 됨
- 과장 약 (n > 1) : 장악량이 과다하여 암석의 파쇄 정도가 심하고 비산이 우려됨
3) 하우저 공식
- 개요 : 표준 장약량의 산정을 위하여 하우저 제안식을 이용하면 1 자유면 발파에서 표준 발파 장악량은 최소 저항선의 3 제곱에 비례하므로 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
L = CW(3)
여기서, L은 공당 장약량(kg), C는 발파 계수, W는 최소 저항선(m)
이 식은 표준 장약에 의한 표준 발파(n=1)의 경우에만 적용되므로 과장 약 또는 약장 약인 경우에 누두 지수 함수 f(n)를 이용하여 장약량을 보정하면 L = f(n) CW(3)가 된다.
- 발파 계수(C) : 암석 강도에 비하여 폭약의 힘이 약하고 전색이 불충분하면 발파 효과가 감소하여 효과적인 발파에 필요한 폭약량이 증가한다. 발파 계수는 암석 발파에 필요한 장약량 계산에 중요한 계수로서 누두 공의 크기와 형상과는 관계가 없고 발파 대상 암석의 발파에 대한 저항 계수(g), 폭약의 위력 계수(e), 전색 계수(d)의 영향을 받으며 발파 계수(C)는 다음 식으로 구한다.
C = g e d
L = f(n) g e d W(3)
여기서, e : 폭약 위력 계수, g : 암반 저항 계수, d : 전색 계수, f(n) : 누두 지수 함수
- 폭약 위력 계수 : 특정한 폭약을 기준으로 하여 다른 폭약과의 발파 효과를 비교하는 계수이며 강력한 폭약일수록 e가 작아진다. 일반적으로 니트로글리세린(NG) 60%를 포함한 다이너마이트를 표준으로 하여 폭약의 위력을 비교한다.
- 암석 계수 : 암석 계수는 발파에 대한 암석의 저항성을 나타내는 계수이다. 니트로글리세린(NG) 60%에 해당하는 다이너마이트를 1m 깊이(최소 저항선, W=1m)의 암반에 장전하여 완전 전색(d=1)을 할 때 표준 발파에 필요한 장약량을 L kg이라고 하면 L=g 가 되고, 암석 1m(3)를 발파할 때 필요한 장약량(g)을 의미한다.
- 전색 계수(d) : 전색 계수는 발파공에 폭약을 장전하고 발파공을 모래나 점토로 치밀하게 메워서 밀폐시킨 상태를 1로 기준하여 밀폐 상태의 불완전 정도에 따라 분류한다.
4) 누두지수 함수 : 하우저 공식이 표준 장약에만 사용되므로 임의의 누두 형상으로부터 필요한 장약량을 산출하기 위한 수 수정식은 최소 저항선(W)이 일정하고 반지름(R)이 변하는 데 따른 기울기 f(n)가 변한다고 볼 수 있으며 f(n)의 변화에 대한 장약량의 환산 함수 식을 장약량 수정 함수라고 한다.
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