Design and field response analysis of double-sided staged hydraulic fracturing in gob-side entry under multi-layer hard roof condition

석탄이 채굴되는 지하 깊은 곳에서, 광산 위의 암석은 끊임없는 투쟁을 벌인다. 석탄층이 제거되면, 한때 그 위에 놓여 있던 무거운 암석층들은 새로운 방식으로 자리 잡아야 한다. 많은 광산에서 이러한 상부 층들은 쉽게 부서지기를 거부하는 두껍고 단단한 암석으로 이루어져 있다. 빈 공간으로 무너져 내리는 대신, 이 단단한 지붕은 마치 떨어지기를 거부하는 무거운 천장처럼 매달려 있다. 시간이 흐르면서, 이 매달린 암석의 무게는 장비와 사람을 운반하기 위해 남겨진 좁은 터널을 압박한다. 이 압력은 터널 벽을 안쪽으로 조이고 바닥을 위로 솟구치게 하여, 통로를 짓눌러 작업을 중단시킬 위협을 가한다. 엔지니어들은 이 압력을 관리하기 위해 오랫동안 노력해 왔으며, 종종 터널을 보강하거나 암석이 위험해지기 전에 이를 부수려는 방법을 사용한다. 과제는 정확히 어떤 암석층이 가장 많은 문제를 일으키는지, 그리고 안전하게 암석을 깨뜨리기 위해 어디에 힘을 가해야 하는지를 아는 데 있다.

중국 림린 탄광에서 연구자들은 이 문제의 복잡한 버전에 직면했다. 이 광산은 이미 채굴이 완료된 구역 옆에서 새로운 섹션의 석탄을 채굴하고 있었다. 이는 활성 터널과 빈 공간 사이에 좁은 석탄 띠가 기둥 역할을 하는 구조를 남겼는데, 이를 고브 사이드 엔트리(gob-side entry)라고 한다. 이 터널 위 암석층은 균일하지 않았으며, 두꺼운 것과 얇은 것이 모두 섞여 층층이 쌓인 여러 개의 단단한 지층으로 구성되어 있었다. 엔지니어들은 어떤 층이 가장 많은 무게를 견디며 터널의 변형을 일으키는지 파악해야 했다. 또한 그들은 암석을 갑작스럽고 위험한 붕괴 없이 약화시키기 위해 정확히 어디에 구멍을 뚫어야 할지도 알아내야 했다. 이를 해결하기 위해, 랴오닝 공과대학교 연구팀은 수압을 사용하여 암석을 제어된 단계적 방식으로 파쇄하는 계획을 설계했고, 현장에서 이 이론을 테스트하여 지반 압력을 진정시킬 수 있는지 확인했다.

연구진은 광산 위의 암석층을 무게를 분산시키는 하나의 두꺼운 보(beam)로 취급하며 분석을 시작했다. 그들은 하중이 서로 다른 층들 사이에서 어떻게 나누어지는지 계산하여 가장 중요한 세 개의 층을 식별했다. 그들의 분석은 석탄 바로 위의 조립 사암층, 그 위쪽의 실트암층, 그리고 더 높은 곳에 있는 또 다른 두꺼운 사암층을 지목했다. 이 세 층이 산의 무게를 지탱하고 있는 주요 원인이었다. 그러나 연구팀은 이 층들이 모두 같은 지점을 누르는 것은 아니라는 점을 깨달았다. 하부 층들은 터널 바로 옆에 무게를 집중시킨 반면, 세 층 중 가장 높은 층은 무게를 조금 더 멀리 떨어진, 즉 빈 공간인 옛 광산 쪽으로 밀어냈다. 이러한 차이는 단일한 접근 방식으로는 작동하지 않는다는 것을 의미했다. 그들은 서로 다른 높이와 서로 다른 수평 위치를 동시에 겨냥할 수 있는 전략이 필요했다.

아이디어를 테스트하기 위해, 팀은 광산과 주변 암석에 대한 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 제작했다. 그들은 석탄 채굴과 암석층의 움직임을 모델링하여 다양한 구역에서 응력이 어떻게 쌓이는지 관찰했다. 시뮬레이션은 그들의 의심을 확인해주었다. 하부 층들의 응력 정점은 정말로 터널 바로 옆에 있었던 반면, 가장 높은 목표 층의 정점은 옛 광산 쪽으로 치우쳐 있었다. 이 통찰력을 통해 그들은 특정 굴착 패턴을 설계할 수 있었다. 그들은 터널 양쪽에 두 가지 유형의 구멍을 뚫기로 결정했다. 하부 암석층을 겨냥한 짧은 구멍과 상부 층까지 도달하는 긴 구멍이었다. 이 구멍들을 엇갈리게 배치하고 구획별로 처리함으로써, 그들은 정밀하고 단계적인 방식으로 암석을 약화시킬 수 있었다. 계획은 단단한 암석 벽과 좁은 석탄 기둥에 구멍을 뚫은 다음, 고압의 물을 사용하여 구멍의 아래쪽부터 위쪽으로 올라가며 격리된 구간마다 암석을 파쇄하는 것이었다.

연구팀은 총 36개의 구멍을 뚫으며 터널의 100미터 구간에 이 계획을 실행에 옮겼다. 그들은 각 구멍의 작은 구간들을 밀봉하는 특수 도구를 사용하였고, 암석에 균열을 만들기 위해 고압의 물을 주입했다. 이 과정은 모든 구멍의 모든 구간에 대해 반복되었으며, 이를 통해 구멍의 전체 길이를 따라 암석이 약화되도록 보장했다. 작업하는 동안, 그들은 현상을 관찰하기 위해 센서 네트워크를 설치했다. 터널 벽이 얼마나 움직이는지 측정하는 장치를 배치했고, 지붕을 받치고 있는 유압 지지대에 가해지는 압력을 모니터링했으며, 지하 깊은 곳에서 암석이 파쇄되는 미세한 소리를 들었다. 그들은 이 처리된 구간을 이전에 채굴되었던 처리되지 않은 터널 구간과 비교하여, 수압 파쇄가 어떤 차이를 만드는지 확인할 수 있었다.

결과는 놀라웠다. 처리되지 않은 구간에서는 채굴면이 접근함에 따라 터널 벽과 바닥이 크게 움직였으며, 지붕과 바닥이 약 225밀리미터 정도 서로 압착되었다. 터널 옆의 석탄 기둥 쪽 벽은 180밀리미터, 단단한 암석 쪽 벽은 125밀리미터 이동했다. 수압 파쇄가 이루어진 구간에서는 움직임이 극적으로 감소했다. 지붕과 바닥의 움직임은 약 22밀리미터에 불과했고, 석탄 기둥 쪽은 18밀리미터, 단단한 암석 쪽은 단 12밀리미터였다. 지붕의 무게를 견디는 유압 지지대 또한 명확한 개선을 보였다. 처리되지 않은 구역에서 지지대에 가해지는 평균 힘은 9,725킬로뉴턴이었으나, 처리된 구간에서는 평균 8,943킬로뉴턴으로 떨어졌으며, 이는 약 8퍼센트의 감소를 나타냈다.

팀은 암석 자체의 소리에도 귀를 기울였다. 처리되지 않은 구간에서 센서는 암석의 크고 갑작스러운 파손을 나타내는 여러 차례의 고에너지 이벤트를 기록했는데, 이는 위험할 수 있는 현상이다. 반면 처리된 구간에서는 훨씬 더 조용했다. 센서는 저에너지 이벤트, 즉 에너지를 점진적으로 방출하는 작고 빈번한 균열만을 감지했으며, 어떠한 큰 고에너지 파손도 기록되지 않았다. 연구진은 처리 후 구멍 내부를 조사하여 암석이 의도한 대로 파쇄되었음을 보여주는 명확한 증거를 확인했다. 데이터는 수압 파쇄가 변형과 하중을 성공적으로 줄였다는 것을 보여주었지만, 두 구간이 서로 다른 시기에 서로 약간 다른 조건에서 채굴되었기 때문에 비교가 완벽하지는 않다고 팀은 언급했다. 그들은 모든 변수로부터 수압 파쇄의 효과만을 완전히 분리해낼 수는 없었지만, 전반적인 추세는 명확했다. 현장 반응은 설계 목표와 일치했다. 즉, 암석은 덜 움직였고, 지지대가 받는 무게는 줄었으며, 위험한 고에너지 파쇄는 사라졌다.

이 연구는 특정 암석층을 이해하고 맞춤형 굴착 전략으로 이를 공략함으로써, 엔지니어들이 지하 터널의 안전과 안정성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여준다. 서로 다른 암석층을 다루기 위해 긴 구멍과 짧은 구멍을 사용하는 접근 방식은 지반 압력을 진정시키는 데 효과적임이 입증되었다. 연구진은 처리 효과를 다른 요인들과 완전히 분리하기 위해 더 많은 데이터가 필요하다는 점을 인정하면서도, 움직임과 하중의 감소가 상당했음을 밝혔다. 이 연구는 단단하고 매달려 있는 지붕 문제를 겪고 있는 다른 광산들에 실질적인 참고 자료를 제공하며, 세심한 계획과 정밀한 실행이 어떻게 위험한 지질학적 상황을 관리 가능한 상황으로 바꿀 수 있는지를 보여준다.