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I. 제목
심부 지오시스템 특성 평가기술 개발
II. 연구개발의 목적 및 필요성
○ 목적
본 연구의 목적은 1km급 심부 지오시스템의 열-수리-역학적 연계특성을 평가하기 위한 융복합 기술을 개발하는 것으로서 심부 수리특성 평가기술, 심부암반 현지응력분포 평가기술 및 고심도 환경 조건에서의 암반 장기 파괴거동 분석기술 개발을 세부 연구목표로 하고 있다.
○ 필요성
최근 환경위해물질 차폐, CO₂지하저장, 심부지열 개발, 셰일가스 개발, 심부채광 등 1km급 심부 지오시스템 특성 평가, 개발 또는 활용기술에 대한 수요가 전 세계적으로 증가하는 추세이다. 또한 기초과학 및 공학 분야에서 심지층 지하시설을 통한 심부 지오시스템 특성 평가에 대한 필요성도 증대되고 있다. 심부 지오시스템은 천부 환경과 비교할 때 매우 높은 응력, 온도, 수압 등의 극한 환경과 제한된 접근성으로 인해 특성 평가 및 거동 예측이 매우 어렵다. 심지층공간의 정확한 거동 예측 및 경제적인 안정성 유지를 위해서는 심부 지오시스템 특성에 관한 체계적이고 신뢰성 높은 과학적·공학적 규명이 선행될 필요가 있다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구는 2015년부터 2016년까지 2년간 수행되었으며, 연차별 연구목표는 아래와 같다.
1차년도의 연구목표는 고심도 환경 조건에서 열-수리-역학적 연계특성을 평가하기 위한 장치를 개발하고 기반 기술을 구축하는 것으로서 상세 연구내용은 다음과 같다.
○ 심부 수리특성 평가기술 개발
- 고심도 조건의 암반투수 특성평가 실험장치 구축
- 고온, 고압, PH 조건에서 균열암석의 투수특성 변화 규명
- 암반절리 수리전도도 평가를 위한 전기비저항 모니터링 시스템 구축
- 고심도 조건의 암반 그라우팅 유동평가 실험장치 구축
- 암반절리 내 점성유체 주입에 따른 수리-역학적 거동 해석기법 개발
○ 심부 암반응력 평가기술 개발
- 1km급 수압파쇄 시험장비 설계 및 일부제작
- 3차원 암반응력 측정장치 설계 및 시제품 제작
- 간접 응력측정 기법의 신뢰도와 상관성 분석
- 수압파쇄시험 자료 해석법 정립과 국내 응력측정 원시자료 분석
- 심부암반의 역학적 특성 평가를 위한 역해석 기법 조사와 분석
- 심부 현지암반의 시공간 자료 추정법 비교 검토
○ 심부암반 장기 파괴거동 분석 기술 개발
- Mode II 장기강도특성 평가 시험법 개발
- 암반 장기안정성 평가를 위한 균열성장 모델링
- 이축 하중변위 서보제어 실험장치 설계와 제작
- 고심도 조건하 암석의 파괴특성 수치모델링
- 지하공동 굴착발파 폭압 모델링
당해연도인 2차년도의 연구목표는 고심도 환경 조건에서 열-수리-역학적 연계특성 평가실험을 수행하고 여러 인자들의 영향을 분석하는 것으로서 상세 연구내용은 다음과 같다.
- 압력변화와 절리구조에 따른 수리 실험 및 영향분석
- 수리전도도 평가를 위한 전기신호 측정실험 및 영향분석
- 고심도 암반 그라우트 유동실험과 분석
- 암반절리내 점성유체 주입에 대한 실내실험 기반 성능예측 수치해석과 민감도 분석
- 고온, 고압, pH 조건에서 균열암석의 투수특성 변화 규명
- 1km급 수압파쇄시험장비 개발
- 3차원 암반응력 측정장치 개발
- 암반의 변형/응력특성 평가를 위한 굴착변위 기반의 탄성역해석 틀 개발
- 지층특성 공간분포 추정을 위한 방법론 고찰
- 한반도 응력자료의 Quality rank에 기반한 응력텐서 특성화
- 암반의 장기 안정성 평가 시험과 AE 신호 분석
- 암반 장기거동 2차원 해석모델 개발
- 이축압축 모델실험과 입자결합모델에 의한 결과 비교검토
- 고심도 조건하 지하공동의 발파굴착 안정성 해석모델 개발
- 단층대 전단거동 예측을 위한 THM 해석모델 개발 및 검증
IV. 연구개발결과
고심도 조건(고수압, 고응력)에서 유체유동의 삼승법칙(cubic law)에 대한 적용성을 살펴보고 비선형 흐름의 수리-역학 상관식을 제시하기 위하여 절리구조(거칠기)에 따른 투수실험 및 영향인자 분석을 수행하였다. 레이저 스캐닝을 이용하여 3차원 절리면 거칠기를 정량적으로 분석하였으며, 절리의 수리간극과 투수도 측정을 위한 방사형 투수관계식을 유도하였다. 압력(응력, 수압)과 절리구조(거칠기)에 따른 절리 투수도를 비교 분석함으로써 고압/고수압 환경조건에서 암반의 투수특성을 반영할 수 있는 비선형적 수리-역학 상관관계 경험식을 제시하였다.
암반 절리내 수리전도도-전기비저항 상관관계 분석을 위해 전기비저항 측정시스템과 모니터링 프로그램을 구축하고 검증하였다. 수리전도도와 밀접한 관련이 있는 암석 내부 절리의 거칠기와 같은 기하학적 형상(aperture size, joint wavelength, joint roughness amplitude)을 대상으로 전기비저항 실험 및 분석연구를 수행하였으며, 암반의 수리적인 특성 모니터링이 가능함을 검증하였다.
암반 그라우트 유동실험장치를 설계·제작하였으며, 이를 이용한 그라우트 유동실험을 수행하였다. 점성도 변화를 측정함으로써 그라우트 시간의존성에 대한 실험적 분석을 수행하였고, 그라우트 배합비, 간극, 주입유량, 거칠기 등 여러 변수의 영향을 살펴보았다. 시각데이터 기록을 통해 그라우트 유동 패턴과 속도 등 암반 그라우트 유동 특성을 정량적으로 분석하였으며, 이를 점성유체 주입성능평가를 위한 수치모델의 검증 자료로 활용하였다. 한편, 절리암반 내 그라우팅의 주입성능 향상을 목적으로 하는 국제 공동연구 TIGHT 프로젝트에 참여하여 연구결과를 발표하고 의견을 교환하였다.
절리 암반 내 점성유체 주입에 따른 침투 유동 및 수리-역학적 거동의 해석기법을 구축하고, 개발된 해석기법을 이용하여 주입 설계변수(주입재 물성, 주입 대상 암반의 특성, 주입조건, 절리의 역학적 변형)가 주입성능(주입재 침투거리 및 주입유량)에 미치는 영향을 분석하였다. 해석결과는 시멘트 현탁액을 이용한 점성유체 주입 실내실험 및 이론해와 매우 유사한 양상을 보였다.
열-수리-역학-화학적 상호작용의 효과로 인한 균열 암석의 투수특성 변화를 규명하기 위해 pH 7.61, 구속압 5 Mpa, 20℃ 온도 조건에서 화강암 시료에 대해 순환유체 유동실험을 수행하였다. 순환유체 실험결과는 일방향 유체를 사용한 기존 연구(2015년) 결과와 비교하면, 투수계수 감소경향의 유사성을 보였으나 감소폭은 상대적 낮게 나타났다. 균열 내 순용해 분석을 통한 농도 예측 결과는 실험 결과에 비해 높은 농도값을 보였으며, 이는 미반영된 광물침전물의 효과에 기인하거나 균열 접촉면적을 과소평가 한 것에 기인한 것으로 추정된다. 또한, T-H-M-C 연계거동 수치모델에 수리-역학 상호작용과 열-역학 상호작용에 관한 효과를 추가적으로 반영하였다.
한국지질자원연구원이 기보유하고 있는 수압파쇄 시험장비(적용심도 500m)의 사양을 바탕으로, 1km급 수압파쇄 시험장비를 설계하고 일부 부품을 제작하였다. 고심도 조건에 적용하기 위한 문헌연구를 수행하였으며, 기존 시험장비에서 보완·수정되어야 할 부분을 검토하여 설계 사양에 반영하였다.
기존의 3차원 암반응력 측정기를 대체하고 기능을 향상시킨 새로운 장치를 설계하고 시제품을 제작하였다. 장치의 구성은 크게 자료저장모듈과 계측모듈로 이루어진다. 자료저장모듈의 경우 데이터로거를 장착하여 계측자료를 실시간으로 연속 저장하고 피스톤 트리거링 시스템을 장착하여 불필요한 라인을 제거함으로써 작업의 신뢰성과 편의성을 향상시킬 수 있도록 하였다. 데이터로거 PCB에는 자이로스코프 센서를 장착하여 스트레인게이지의 방향을 자동 측정함으로써 계측의 정확성을 향상시켰다.
순차적 응답면 기법과 연속체 수치해석 프로그램인 FLAC2D를 연계하여 지하굴착 주변 암반의 변형계수와 측압계수를 추정할 수 있는 역해석 시뮬레이션 틀을 개발하였으며, 매개변수 추정의 정확도와 계산효율을 향상시키기 위한 탐색 알고리즘의 최적화를 수행하였다. 본 연구에서 제안한 역해석 기법의 성능을 분석한 결과, 매개변수 추정의 정확도와 계산효율 측면에서 만족할 만한 결과를 제공하는 것으로 검토되어 심부암반의 역학적 특성 평가에 활용이 가능함을 확인할 수 있었다.
단순크리깅, 정규크리깅, 일반크리깅 기법을 사용하여 인천 송도국제도시의 압밀층 두께를 추정하였으며, 크리깅 기법에 따른 추정결과의 신뢰성을 분석하였다. 분석 결과 단순크리깅은 정규크리깅과 일반크리깅에 비하여 측정자료와 멀리 떨어진 위치에서의 압밀층 두께를 크게 추정하며, 추정결과의 신뢰성도 낮았다. 일반크리깅은 측정자료와 멀리 떨어진 일부 위치에서 압밀층 두께를 음의 값으로 추정하는 것으로 나타났다. 압밀층 두께를 추정하기 위한 가장 적절한 크리깅 기법은 가장 신뢰성이 높고 물리적으로 합당한 추정범위 내의 값을 추정한 정규크리깅 기법인 것으로 분석되었다.
국내에서 측정한 수압파쇄 응력 자료를 수집하고 세계응력지도(World Stress Map) 기준으로 자료의 질적 분류를 수행하였으며, 이러한 신뢰성 높은 자료를 근거로 통합적 방향성 통계 분석(directional statistics)을 실시하였다. 한반도 천부지각 응력장은 E-W 또는 ENE-WSW의 최대수평응력이 우세하여, 지진자료 역산법을 이용하여 규명된 한반도 심부 응력장과 유사한 방향성을 보였다. 그러나 강원 산악지역의 경우 지형적 효과가 반영된 응력방향 회전이 관찰되었다. 천부지각 응력장은 한반도 지체구조와 뚜렷한 상관성을 보이지 않았으며 응력측정 암반의 역학적 특성에 의해 영향을 받는 것으로 나타났다.
암반구조물의 장기 안정성 평가를 위해 기존에 개발한 Mode II 파괴인성 시험법(SCC, Short/Standard Core in Compression)과 확률론 개념의 임계하 균열성장(SCG, Subcritical Crack Growth) 시험법을 조합하여 화강암을 대상으로 Mode II SCG 시험을 실시하였다. 이 시험으로부터 임계하 균열성장 변수인 n과 A를 얻었으며 Mode I 결과와 비교하였다. 미소파괴음을 통해 암석의 지연파괴기간 동안에 발생하는 손상 누적을 분석하였으며, 향후 장기안정성 모니터링시 안정성 판단 기준에 대한 기초자료를 확보하였다.
고심도 암반 구조물의 장기 안정성 평가에 필수적인 임계하 균열성장 현상을 모사할 수 있는 개념모델을 분석하고, 이를 2차원 유한차분해석 프로그램을 이용하여 구현하였다. 일축압축조건에서 시간 경과에 따라 암반 내에 균열이 형성되고 응력 재분포에 의해 파괴가 진행되는 과정을 모사하였으며, 암반 필라 안정성 평가에 적용하여 다양한 암반공학 문제에 대한 향후의 활용 가능성을 확인하였다.
화강암 모델시료를 이용한 열균열 모델실험 결과, 중앙에 설치된 온도 가열장치로부터 열전달이 되어 약 90℃까지 온도가 상승한 모델내부에서 소량의 열균열이 발생하였다. 화강암의 역학적, 열적 물성을 고려한 입자결합모델 수치모사 해석에서도 모델실험과 유사한 온도분포와 균열발생 특성을 보임을 확인하였다. 이축압축 조건을 고려한 모사해석의 경우, 압축응력이 작게 작용하는 방향에 수직한 열균열이 다수 발생하였으며, 인장균열이 우세한 것으로 나타났다.
LS-DYNA의 라그랑지 기법과 ALE 기법(Arbitrary Lagrangian Eulerian)을 이용하여 지하갱도의 발파굴착을 모사하였다. 라그랑지 접근법은 발파공 벽면을 이루는 요소들에 직접 계산된 압력을 가하는 한편, ALE 기법에서는 폭약과 공기가 함께 명시적으로 모사된다. 라그랑지 기법은 발파공 주변 암반요소의 대변형이 발생할 경우에는 솔버가 다운되는 문제가 있을 수 있으므로 ALE 기법을 사용하여 암반 중의 폭발을 모사하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
암반의 열-수리-역학-화학적(THMC) 연계거동의 수치해석기법 개발을 위한 국제공동연구인 DECOVALEX-2019 프로젝트에 참여하여 'Task B: fault slip modeling'을 수행하였다. TOUGH-FLAC 연동해석 기법을 사용하여 일정 압력의 물 주입에 따른 단층면의 미끄러짐과 이에 따른 수리-역학적 연계거동을 모델링하였으며, 역학적 변형으로 인해 야기되는 수리 특성 변화와 함께 해석 메쉬의 형상 변화를 동시에 고려할 수 있는 새로운 커플링 모듈을 추가하였다. 개발된 해석기법을 적용한 결과, Task B를 공동 수행하고 있는 국외 연구팀들과 유사한 해석결과를 보였으며, 향후 연구팀간 교류와 워크숍 및 현장시험 적용을 통해 해석기법의 타당성을 지속적으로 검토할 예정이다.
V. 연구개발결과의 활용계획
본 연구를 통해 개발된 심부 지오시스템 특성 평가기술은 다음과 같은 고심도 지하공간의 설계, 건설 및 운영 단계에서 활용할 계획이다.
- 지하연구시설(천체우주물리 관측 실험실 등)
- 셰일가스 개발/지열에너지 개발/CO₂ 지중저장
- 방사성 폐기물 지하 처분시설
- 지하에너지저장(LPG/CNG/CAES) 시설
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원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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