Study on the properties and reasonable width of a phosphogypsum backfill body for gob-side entry retaining in a thick coal seam

지하 깊은 곳, 탄층이 채굴되기를 기다리고 있는 곳에서 엔지니어들은 지속적이고 비용이 많이 드는 딜레마에 직면해 있습니다. 석탄층을 추출하면 그 위의 천장이 자연스럽게 붕괴하려는 성질을 가집니다. 미래의 작업을 위해 터널을 안전하게 유지하기 위해, 광부들은 전통적으로 천장을 지탱할 수 있도록 채굴되지 않은 두꺼운 석탄 벽을 남겨둡니다. 이는 지반을 안정시키지만, 동시에 귀중한 자원의 상당 부분을 안전 조치로서 지하에 영원히 갇힌 채로 남겨두어 상당 부분의 자원을 낭비하게 만듭니다. '고브 측 엔트리 리테이닝(gob-side entry retaining)'이라 불리는 더 효율적인 대안은 이전 채굴 작업으로 남겨진 빈 공간의 가장자리를 따라 새로운 터널을 뚫는 것입니다. 엔지니어들은 석탄 벽을 남겨두는 대신, 특수한 충전재를 사용하여 인공 벽을 구축합니다. 이 인공 장벽은 석탄 기둥만큼이나 잘 천장을 지지하면서도, 광부들이 탄층의 거의 모든 석탄을 추출할 수 있게 하여, 한때 폐기물이었던 것을 수익으로 전환해 줍니다. 과제는 지표를 지탱할 수 있을 만큼 강하면서도, 좁은 공간에 쉽게 펌프로 주입될 수 있을 만큼 유동성이 있고, 기존 방식보다 비용이 저렴한 재료를 찾는 것입니다.

중국 구이저우의 한 탄광에서 연구진은 산업적 문제를 채굴 자산으로 바꾸는 해결책을 테스트하고 있습니다. 이 지역은 비료 제조의 부산물인 인산석고를 막대한 양으로 생산하는데, 이는 보통 거대한 적치장에 쌓여 땅을 차지하게 됩니다. 이 물질은 불소와 방사성 원소로 지하수를 오염시킬 가능성 등 환경적 위험을 초래합니다. 구이저우 공과대학교 엔지니어들과 현지 광산 운영자들이 이끄는 연구팀은 단순한 질문을 던졌습니다. "이 풍부한 폐기물을 이러한 인공 터널 벽을 만드는 완벽한 재료로 변형할 수 있을까?" 그들의 조사는 실험실 실험과 복잡한 컴퓨터 모델링을 결结合하여, 단순히 이 재료가 작동하는지를 넘어, 안전을 보장하기 위해 벽의 두께가 정확히 얼마여야 하는지를 결정하는 과정을 포함했습니다.

연구진은 먼저 건조한 가루 형태의 결정체로 들어오는 가공되지 않은 인산석고를 사용 가능한 건설 자재로 처리하는 작업부터 시작했습니다. 그들은 혼합물이 부드럽게 흐르고 적절한 속도로 굳도록 설계된 물과 소량의 화학 첨가제를 섞었습니다. 실험실에서 그들은 유동성을 개선하기 위한 '슈퍼플라스티사이저(superplasticizer)'의 양과 혼합물이 굳는 속도를 조절하기 위한 알칼리의 양을 조절하며 수십 가지의 변형을 테스트했습니다. 그들은 특정 조합이 가장 효과적이라는 것을 발견했습니다. 즉, 유동성을 높이는 화학 물질의 정밀한 투여량과 낮은 알칼리 환경을 결합하는 것이었습니다. 이 레시피를 통해 혼합물은 터널 벽과 빈 광산 사이의 좁은 공간에 펌프로 주입될 수 있을 만큼 충분히 유동성을 유지하면서도, 28일 후 12.5 메가파스칼(MPa)의 압축 강도를 가진 고체 구조로 굳어졌습니다. 이 강도는 지하 채굴에 요구되는 엄격한 안전 기준을 충족하기에 충분했으며, 이는 현지의 폐기물이 기존의 충전재를 대체할 수 있는 실행 가능한 재료가 될 수 있음을 입증했습니다.

재료의 특성이 확립되자, 팀은 규모의 문제로 눈을 돌렸습니다. 채굴에서는 폭 1미터가 매우 중요합니다. 벽이 넓으면 더 안전하지만 더 많은 재료가 필요하고 석탄 추출 공간이 줄어듭니다. 반대로 벽이 좁으면 자원을 절약할 수 있지만 붕괴의 위험이 있습니다. 최적의 지점을 찾기 위해 연구진은 벽이 견뎌야 할 하중을 추정하기 위해 두 가지 수학적 접근 방식을 사용했습니다. 그들이 더 보수적이고 안전하다고 설명한 한 가지 방법은 터널 위의 암석층 무게와 그 무게가 새로운 벽을 어떻게 압박하는지를 계산하는 것이었습니다. 그들은 이를 개별 암석 블록이 어떻게 이동하고 침하하는지를 살펴보는 두 번째 방법과 비교했습니다. 계산 결과, 벽에 요구되는 강도는 채굴 중인 석탄층의 두께와 상부 암석의 무게에 크게 의존한다는 것이 밝혀졌습니다. 연구진은 석탄층의 두께가 가장 결정적인 요인임을 발견했습니다. 즉, 석탄층이 두꺼울수록 벽은 더 강해야 했습니다. 터널 자체의 너비나 암층 간의 마찰력 같은 다른 요인들도 역할을 했지만, 그 중요도는 덜했습니다.

벽이 실제 조건에서 어떻게 행동하는지 시각화하기 위해, 팀은 광산의 지질 구조를 상세하게 구현한 컴퓨터 시뮬레이션을 구축했습니다. 그들은 터널, 주변 암석, 그리고 인공 벽을 모델링한 후, 벽의 너비가 변함에 따라 지반이 어떻게 이동하는지 관찰했습니다. 그들은 1미터 미만부터 3미터 이상까지 다양한 너비를 테스트했습니다. 시뮬레이션 결과 명확한 패턴이 나타났습니다. 벽이 좁을 때, 터널 측면의 암석은 안쪽으로 심하게 조여들며 움직였습니다. 벽이 넓어질수록 이 움직임은 급격히 감소했습니다. 가장 극적인 개선은 벽이 좁은 0.8미터에서 더 실질적인 2.0미터로 늘어날 때 발생했습니다. 2.0미터를 초과하면 움직임의 감소 폭이 훨씬 작아졌는데, 이는 벽을 더 넓게 만드는 것이 한계 효용이 낮음을 시사했습니다. 컴퓨터 모델은 벽의 너비가 2.0미터일 때, 재료를 낭비하지 않으면서도 상부 암석을 효과적으로 지지하여 터널을 안정적으로 유지할 수 있음을 보여주었습니다.

이 발견의 함의는 단순히 터널을 열어두는 것에 그치지 않습니다. 저렴하고 현지에서 조달 가능한 재료를 사용함으로써, 광산은 훨씬 더 많은 석탄을 회수할 수 있습니다. 연구진은 벽의 너비를 최적화하고 이 새로운 재료를 사용함으로써, 더 넓고 덜 효율적인 벽을 사용할 때보다 단일 채굴면에서 추가로 9,681.1톤의 석탄을 더 회수할 수 있다고 계산했습니다. 이는 폐기물 처리 문제를 추가 수익원으로 바꾸는 직접적인 경제적 이익을 의미합니다. 본 연구는 해당 재료가 강도가 높고 너비가 안전하다는 점을 확인해주지만, 저자들은 벽의 장기적인 내구성을 보장하고 이 재료가 수년간 지하수와 어떻게 상호작용하는지를 완전히 이해하기 위해 추가적인 조사가 필요하다고 언급했습니다. 현재로서는, 이 연구가 현지의 산업 부산물을 사용하여 석탄 채굴을 더욱 효율적이고 덜 낭비적이게 만드는 데 있어 견고한 기술적 토대를 제공하고 있습니다.