국내 고심도 석탄광산의 온도환경 개선연구
장승현1)· 노장훈1)· 김진1)*
A Study on the Improvement of Temperature Environment for Domestic Deep Coal Mines
Seunghyun Jang, Janghoon Roh and Jin Kim*
(Received 8 October 2014; Final version Received 25 February 2015; Accepted 26 February 2015)
Abstract : For this research, a coal mine was examined that has the deepest coal mining activities in the country, in order to improve hot and humid work environment. The Ventsim 3D program was used for a simulation of ventilation network and temperature analysis. Ventilation network modeling was set up that reflected natural ventilation. Natural ventilation pressure formed between No.1 shaft and No.2 shaft, and it was calculated to be approximately 245 Pa. Based on the completed ventilation modeling, a simulation of increased ventilation was done, assuming the extension of shaft and the installation of mine doors. The simulation result showed an increased air inflow over 50% in deep mines. However, it did not affect the temperature environment of the deeper part of the mine. To improve hot and humid work environment, temperature simulation was carried out, reflecting the operation of the air cooler. According to the simulation result, it was deemed that three additional air coolers need to be installed to create the work environment with the WBGT between 25.0℃ and 27.9℃. And the length of mine duct should not exceed the maximum 800 m.
Key words : Ventilation, Deep coal mine, Natural ventilation pressure, WBGT
요 약 : 본 연구에서는 현재 국내에서 가장 깊은 심도에서 채탄이 이루어지고 있는 A광업소를 대상으로 작업장 의 온도환경을 개선하기 위하여 환기모델을 만들고 온도시뮬레이션을 실시하였다. 모델의 정확성을 높이기 위하 여 광업소의 1수직갱과 2수직갱 사이에 발생하는 자연환기력을 약 245 Pa로 계산하여 모델에 적용하였고, 완성 된 모델을 바탕으로 주요작업장 유입공기량 증대를 위하여 풍문 및 수직갱의 연장 시뮬레이션을 수행하였다.
시뮬레이션 결과는 주요 심부작업장의 유입공기량을 50%이상 증대 시킬 수 있음을 보여주었다. 하지만 고온･다 습한 심부 작업장의 온도환경에는 큰 영향이 없음을 확인하고, 현재 광업소에 운영 중인 공기냉각기를 바탕으로 추가운영 및 냉각기의 효과적인 운영방안에 대한 시뮬레이션을 연속해서 수행하였다. 온도환경 기준을 WBGT 25.0～27.9℃로 설정하여 기준범위내의 온도환경을 조성하기 위해서는 3대의 공기냉각기가 추가 설치되어야 하며, 풍관에서의 열손실을 반영하여 풍관 길이를 최대 800 m 이내로 운영해야 함을 확인하였다.
주요어 : 환기, 고심도 석탄광산, 자연환기력, WBGT
1) 인하대학교 에너지자원공학과
*Corresponding Author(김진) E-mail; [email protected]
Address; Dept. of Energy Resources Engineering, INHA University, Inchon, Korea
ISSN 2288-2790(online) Vol. 52, No. 1 (2015) pp. 9-19, http://dx.doi.org/10.12972/ksmer.2015.52.1.009
서 론
최근 석탄광산에서 작업자의 탈진 및 보건･위생에 관 한 안전사고들이 발생함에 따라 작업장의 환경개선에 대 한 문제점의 개선이 시급한 실정이다. 국내 석탄광산들 은 대부분 오랜 가행기간으로 인하여 채탄장이 고심도에
위치하고 있으며, 지열 및 각종 장비들로 인하여 작업장 의 온도는 매우 높게 형성되어 있는 실정이다(Kwon et al., 1986). 작업장내의 높은 온도는 갱내의 수분을 증발 시켜 작업장의 습도까지 증가시키는 역할을 하기 때문에 작업장의 온도제어는 안전한 작업환경을 유지하기 위한 핵심요건이 되고 있다. 이러한 작업장의 높은 온․습도는 작업자의 보건위생을 위협하는 매우 중요한 사항이기 때 문에 광산보안법에 명시된 건구온도 35℃이하로 유지하 기 위한 노력을 기울이고 있다. 하지만 국내 광산보안법 의 건구온도 기준은 습도를 고려하지 않아 작업자가 느 끼는 열적응력을 표현하는데 한계가 있어서 현재는 건구 연구논문
Fig. 1. Sectional view in coal mine (Kim, 2000).
온도만을 지표로 하여 법적 규제를 실시하는 경우는 매 우 드물다. 이로 인하여 호주를 비롯한 광산 선진국에서 는 건구온도와 습구온도가 결합된 다양한 지표들을 적용 하고 있는 실정이다(McPherson, 1993). 본 광업소도 건 구온도기준으로만 판단한다면 35℃이하의 작업환경을 유지하고 있지만, 90%이상의 높은 습도로 인하여 작업 자가 매우 불편한 상태에서 작업이 이루어지고 있음을 확인하였다. 이러한 이유로 국내 산업안전 보건법에서 적용하고 있는 온도조건 WBGT 25.0～27.9℃의 작업환 경을 목표로 연구를 진행하였다. WBGT(Wet Bulb Globe Temperature)는 작업자에게 미치는 실제 열응력이 습구 온도에 가장 큰 영향을 받는 것을 기초로 하여 실내의 경우 70%의 습구온도 비중과 30%의 건구온도비중을 더하여 계산되는 온도지표이다. 이를 적용한 열환경을 개선하기 위하여 VENTSIM 환기프로그램을 활용하여 연구광산의 상세한 모델을 완성하고 이를 바탕으로 온도 환경 개선방안을 도출 하고자 하였다. VENTSIM 환기 프로그램은 석탄광산을 포함한 일반 광산에서 환기설계 를 위해 다각도로 활용이 된 상용소프트웨어로 그 성능 을 검증받았다(Feng et al., 2011; Eleonora et al., 2001;
Duckworth et al., 1995). 선행된 연구에 따르면 다양한 열적지표들에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 공기속도임 을 감안하여, 공기량 증대를 위한 환기망 개선 시뮬레이 션을 함께 수행하였다(Park et al., 2014). 상세한 모델의 완성을 위하여 현장실측을 실시하고, 실측된 데이터를 바탕으로 자연환기력을 적용하였다. 이후 작업구간 유입 공기량 증대를 위한 다양한 환기계통도의 수정 시뮬레이 션을 실시하고, 주요 작업구간 열환경 개선을 위하여 광 업소에서 사용중인 공기냉각기(WEK350)의 성능을 고 려하여 효과적인 활용방안에 대하여 연구를 진행하였다.
연구대상 광산 환기 현황
연구광산은 크게 4곳의 생산부로 이루어져 있으며, 각 생산부의 지표에 각각 배기용 선풍기를 운영하고 있다.
또한 두 개의 수직갱과 한 개의 사갱을 함께 운영 중이 다. 4곳의 생산부의 지표에 장착되어 있는 선풍기의 용 량은 크게는 700 HP부터 작게는 150 HP의 선풍기가 각 각 운영되고 있으며, 배기갱도 중간에 보조 선풍기들을 함께 운영하고 있다. 일반적인 환기방식은 중앙 및 대우 식의 혼합식이며, 기계력에 의한 강제 환기가 이루어지 고 있다. 2012년 상반기에 본 광산에서 조사한 자료에 의하면 제 1수직갱, 사갱, 압축공기로 총 15,644 m3/min 이 입기되는 것으로 조사되었으며, 이 중 제 1수갱으로 부터 입기되는 공기량이 전체 입기량의 약 80%수준으 로 조사되었다(Fig. 1). 현재 갱구 600 ML을 기준으로
－425 ML에서 주로 생산이 이루어지고 있으며, 추가 생산을 위한 －475 ML의 굴착이 진행중에 있다. 서론 에서 언급한 것처럼 고심도의 채탄장에서 가장 큰 문제 는 높은 온･습도이다. 현재 본 연구광산의 주요 채탄장 인 －425 ML과 굴진작업중인 －475 ML에서는 90%이 상의 높은 습도와 평균 건구온도가 33℃정도로 측정되 어 작업자들이 느끼는 열적 스트레스가 매우 높은 수준 에 도달해 있는 실정이다. 측정시점이 겨울인 것을 감안 한다면 여름철의 경우 온･습도는 더 높은 수준으로 나타 날 것으로 예측되는 상황이다. 이러한 높은 온･습도를 제어하기 위하여 －425 ML작업장에 5대의 공기냉각기 를 설치하여 운영하여 온도개선을 위한 노력을 기울이고 있다. 현장조사 결과 공기냉각기의 활용유무에 따른 작업 장의 온도차이가 크게 측정되어, 공기냉각기의 추가 활용 및 개선방안을 도출하기 위하여 본 연구를 수행하였다.
Fig. 2. Temperature gradient curves in the rock at its surface to be estimated for known Fourier and Biot numbers (McPherson, 1993).
연구 방법
환기 시뮬레이션 이론
본 연구의 진행을 위해서 VENTSIM 3D(CHASM Consulting) 환기 프로그램을 활용하여 대상광산의 환기 망을 모델링 하고 이를 바탕으로 작업환경 개선 시뮬레이션 을 수행하고자 하였다. VENTSIM 프로그램은 Atkinson’s Equation을 근거로 하여 식 (1)과 같은 Hardy Cross 알 고리즘을 사용하여 공기량을 해석할 뿐만 아니라 갱내의 온도예측을 함께 수행할 수 있는 프로그램이다.
∆
(1)
여기서 ∆는 각 갱도에 흐르는 유량 에 대하여 임의 로 정의된 값의 오차값으로 ∆값을 최소화시킴으 로서 최종적인 공기량 를 결정하게 된다. 또한 저항 은 환기로의 단면적, 길이, 주변장, 그리고 표면의 거칠기 와 관계가 있으며 식 (2)와 같이 표현이 된다(Hartman et al., 1997).
(2)
K : friction factor [kg/m3] P : perimeter [m]
L : airway length [m]
Le: airway equivalent length [m]
A : area [m2]
이로 인하여 저항R을 계산하기 위한 갱도의 길이, 단 면적, 주변장, 마찰계수 등을 측정 및 결정하게 된다. 또 한 갱내 공기 속도를 바탕으로 공기량을 계산하기 위하 여 3가지의 유속 측정 장비들을 사용하였다. TSI사의 Vane Anemometer를 이용하여 1～15 m/s 사이의 유속 을 측정하였고, 15 m/s 이상의 공기 유속 측정은 EXTECH 사의 Hot Wire를 사용하였으며, 공기흐름이 정체되어 있는 구간에서는 GASTEC사의 Smoke Tube를 사용하 여 공기유동 방향 및 유속을 측정하였다. 여기에 본 연구 의 목적이 되는 열환경 평가를 위하여 각 측정지점에서 건구온도와 습도를 함께 기록하였다.
VENTSIM 프로그램은 갱내 기상조건에 영향을 주는 다양한 인자들을 바탕으로 온도 예측시 Fourier수와 Biot수의 함수에 대한 경과계수를 이용하여 온도구배 (Temperature gradient, G)를 구하게 된다(Fig. 2). 여기 서 Fourier수는 온도분포가 시간이 지남에 따라 변화하 는 비정상 상태의 열전도를 나타내는 무차원 수이며, Biot수는 표면과 유동량 사이의 온도강하의 정도를 나타 내는 무차원 수이다. Fig. 2에 의해 산정된 온도구배는 광산 내 암반으로부터 방출되는 Heat Flux의 주요인자 가 되며, 습윤한 상태의 암반온도가 함께 고려되어 식 (3)에 의하여 계산된다.
(3)
Fig. 3. Fan characteristic curve of Main fan (150 HP).
hc: Convective heat transfer coefficient [W/m2･℃] G : Temperature gradient [Dimensionless]
B : Biot number [Dimensionless]
VRT : Virgin rock temperature [℃]
tws: Wet surface temperature [℃]
VENTSIM 모델링
본 광산은 매우 복잡하고 대형화 되어 있는 석탄광산 이기 때문에 추후 정확한 개선방안 도출을 위하여 상세 한 모델의 완성이 매우 중요하다. 실제로 측량을 실시하 였던 주요 작업구간인 －375 ML, －425 ML, －475 ML 의 현장 실측값을 그대로 반영하였고, 그 외의 데이터는 광업소로부터 제공받은 데이터를 활용하였다. 또한 각각 의 생산부에서 운영 중인 선풍기를 모델에 적용하기 위 하여 선풍기 특성곡선을 활용하였다(Fig. 3).
연구광산의 갱내 마찰계수는 Kharkar의 K 값을 적용 하였으며, 풍문이 설치되어 있는 경우는 최대 20 Ns2/m8 의 저항 값을 사용하였다(Kim, 2000).
본 광산의 환기네트워크를 살펴보면 4대의 주배기 선 풍기와 제 2 수직갱을 통해 배기가 이루어지고 있으며, 제 1수직갱과 사갱을 통해 입기가 되고 있다. 제 2 수직 갱에서 배기되고 있는 유량과 사용 중인 선풍기의 용량 을 검토해본 결과, 현재 가동 중인 선풍기의 용량만으로 는 발생되고 있는 배기량을 만족할 수 없다고 판단되었 다. 이는 제 1수직갱과 제 2수직갱 사이에 발생하는 자 연환기력이 영향을 미칠 것으로 판단되어, 이를 계산하 여 모델에 적용하여 그 신뢰성을 높이고자 하였다. 자연 환기력을 계산하는 방법에는 이론적 식과 경험적 식 등 다양한 식들이 소개되어져 있지만, 본 연구에서는 이론 식 중의 하나인 식 (4)를 사용하였다(McPherson, 1993).
(4)
: upcast column의 평균절대온도 [K]
: downcast column의 평균절대온도 [K]
: 기대지점의 공기밀도 [kg/m]
g : 중력가속도 [9.807m/s2]
현장 실측을 통한 온도데이터를 바탕으로 자연환기력 을 계산한 결과 약 245 Pa의 자연환기력이 계산되었다.
계산된 자연환기력을 제 1 수직갱에 적용한 후에 모델을 해석한 결과, 주요 입･배기 구간에서의 공기량 오차율은 약 12% 정도로 나타났으며, 이는 자연환기력을 적용하 지 않았을 때의 오차율에 비하여 매우 개선된 모델임을 확인할 수 있었다. 완성된 본 광산의 VENTSIM 모델을 Fig. 4에 나타내었다.
모델의 적합성을 판단하기 위하여 완성된 모델을 시뮬 레이션 하여 얻은 환기량과 측량을 통해 얻은 환기현황 자료들을 비교하였다. 주요 작업레벨을 대상으로 공기량 및 공기방향을 비교하고 이에 따른 오차율을 계산한 결 과, 앞서 언급한 것처럼 주요 입･배기 구간에서의 오차율 을 약 12%정도로 나타났고, －375 ML에서의 오차율은 14.5%, －425 ML에서는 5.7%, －475 ML에서는 13.1%
의 오차율이 계산되었다. 일부 지역에서 오차범위가 매 우 크게 나타나기도 하지만 실제로 그 지역에 흐르는 공 기량은 매우 미미하기 때문에 무시할만한 수준으로 판단 되며, 전체적인 공기량의 오차율은 다양한 환경요인들을 고려한다면 충분히 신뢰할 만한 모델이라고 판단되었다. 또한 공기의 흐름 방향은 실제 광업소의 공기흐름 방향 과 95%이상 일치하는 수준을 나타내었다.
Fig. 4. The 3D ventilation network model of the coal mine.
Fig. 5. Operating Status of No.1 shaft. Fig. 6. Excavation of No.1 shaft until Level －425 and Level －475.
Table 1. Result of airflow simulation by extension of No.1 shaft
Level Present (m3/s) Extension until －425 ML (m3/s) Extension until －475 ML (m3/s)
－375 49.2 48.7 49.0
－425 44.6 44.6 41.8
－475 37.7 38.5 38.6
연구 결과
제 1 수직갱의 연장 굴착
연구광산의 열환경 개선을 위해 가장 먼저 고려해야 할 사항은 전체 입기량의 80%정도를 차지하고 있는 제 1 수직갱의 활용 방안이다. 제 1 수직갱은 현재 －375 ML 까지 굴착이 되어 운영 중이며, 실제 채탄작업이 이루어 지고 있는 －375 ML이하 심도로는 Fig. 5와 같이 사갱 및 기타 갱도들을 통해 공기가 유입되고 있다. 제 1 수직
갱으로부터 유입되는 공기가 최대한 직접적으로 채탄작 업 레벨에 유입이 된다면, 채탄작업장의 유입공기량 향 상 및 이에 따른 온･습도의 개선이 이루어 질 것으로 예 측된다. 이에 따라서 제 1 수직갱 하단의 가까운 갱도로 부터 －425 ML, －475 ML까지 추가 굴착한 시뮬레이 션을 수행하였다(Fig. 6).
해석 결과 현 상황에서 제 1 수직갱으로부터 주요 레 벨로 공급되는 유량은 크게 변화가 없는 것을 확인하였 다(Table 1). 이는 채탄작업이 이루어지고 있는 주요 레
Table 2. Result of airflow simulation by installation of mine door
Level Present (m3/s) After installation
of mine door (m3/s) Variation (m3/s)
－375 49.2 30.0 －19.2
－425 44.6 74.5 ＋29.9
－475 37.7 64.3 ＋26.6
Table 3. High-temperature exposure limits according to working degree (℃, WBGT) Intensity of labor
Work/Rest Cycle Light work Moderate work Heavy work
100% Work 75% Work / 25% Rest 50% Work / 50% Rest 25% Work / 75% Rest
30.0 30.6 31.4 32.2
26.7 28.0 29.4 31.1
25.0 25.9 27.9 30.0 벨의 갱도가 복잡하고 이에 따른 갱도의 저항이 높게 작
용하고 있기 때문에, 현재 제 1 수직갱에 작용하는 환기 압력으로는 크게 변화를 줄 수 없다고 판단된다.
또한 제 1 수직갱으로부터 작업이 끝난 상부레벨로의 많은 누기량으로 인하여 공기량 증대 효과를 높이지 못 한 것으로 확인되었다. 이를 개선하기 위해서는 상부레 벨로 누기되는 공기량을 풍문 등의 활용으로 최소화하여 제 1 수직갱으로부터 심부지역으로 들어가는 공기량을 증대시키는 방안이 현 상황에서 가장 효율적인 운영방법 으로 판단된다.
풍문 활용
이전 수직갱의 연장 시뮬레이션에서 나타난 문제점을 개선하기 위하여 제 1 수직갱으로부터 상부레벨로 누기 되는 공기량을 최소화 하는 시뮬레이션을 수행하였다.
이에 따라서 －300 ML이상의 작업장과 제 1 수직갱 사 이에 풍문을 설치하여 누기량을 차단하고자 하였다. 또 한 가장 활발하게 채탄이 이루어지고 있는 －425 ML과 개발예정인 －475 ML의 유입공기량 증대를 위해서 비 교적 적은 작업장이 형성된 －375 ML로 유입되는 공기 량을 낮출 수 있도록 인접한 주변에 풍문을 설치하였다.
풍문이 설치된 위치는 1수직갱으로부터 많은 양의 공기 가 누기되는 지점인 －150 ML, －225 ML, －360 ML,
－375 ML이다. 이와 같이 시뮬레이션을 수행한 결과 각 레벨마다 입기되는 공기량은 －375 ML에서 30 m3/s,
－425 ML는 74.5 m3/s, －475 ML에서는 64.3 m3/s의 입기량이 나타났다(Table 2). 특히 －425 ML, －475 ML 의 입기량이 눈에 띄게 증가하였는데, 이는 비작업구간
의 누기량을 최소화하고 제 1수직갱의 연장을 통해 공기 량 증대가 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 공 기량 증대를 위해 무분별하게 풍문을 설치하게 되면 갱 도 내 저항이 높아져 사갱을 통한 공기의 역흐름이 발생 하는 것을 확인하였기 때문에 사전에 충분한 검토가 선 행되어져야 할 것이다.
－425 ML의 작업장 온도개선 시뮬레이션
암반온도가 40℃를 상회하고 있는 본 광업소는 －425 ML 에서 주로 채탄작업을 실시하고 있고, 가장 많은 작업개 소를 보유하고 있기 때문에 －425 ML에 공기냉각기 5 대를 설치하여 운영하고 있다. 본 광산의 열환경 평가에 관한 선행 연구를 바탕으로 단순 건구온도가 아닌 습구 온도가 포함된 WBGT를 기준으로 하여 온도개선 시뮬 레이션을 수행하였다. WBGT는 건구온도와 습구온도 그리고 복사열에 의한 흑구온도를 반영한 온도지표로서 실내와 실외를 구분하여 식 (5)와 식 (6)으로 구분할 수 있다.
WBGTout=(0.7×Twet)+(0.2×Tglove)+(0.1×Tdry) (5)
WBGTin=(0.7×Twet)+(0.3×Tdry) (6)
광산 내 작업장은 복사열의 영향이 없는 실내환경이기 때문에 본 연구에서는 식 (6)을 적용하여 열환경을 평가 하였다. 열환경 평가를 위한 기준 WBGT는 산업안전보 건법의 “화학물질 및 물리적 인자의 노출기준”의 고온 노출기준 규정을 참고하여 연구를 진행하였다. 이에 관
Table 4. Average temperature and humidity in Tae-baek (2012.12~2013.1)
Month Average dry-bulb temperature (℃)
Average humidity (%)
December －5.5 60.4
January －5.9 60.9
Average －5.7 60.7
Table 5. Input data using temperature simulation Dry-bulb temperature －5.7℃
Wet-bulb temperature －7.3℃
VRT 36.75℃
Cooler Cooling capacity 250 kW
Conductivity 0.33 W/m℃
Diffusivity 1.2 m2/s Specific heat 1,300 J/kg℃
Rock density 2,700 kg/m3
Fig. 7. Result of temperature simulation in －425 ML.
한 규정은 Table 3과 같다.
갱내의 작업수준을 고려하여 중작업으로 판단하고 현재 작업자의 휴식여건을 참고하여 WBGT 25.0℃～27.9℃
로 온도기준을 설정하여 열환경 시뮬레이션을 수행하였 다. 온도해석을 위하여 기초데이터는 현장측량을 통해 측정된 온도, 습도등과 식 (6)에 의하여 계산된 WBGT 를 사용하였으며, 수직갱 및 주요 입기갱도로 입기되는 공기온도는 Table 4와 같은 연구광산이 위치한 강원도 태백 기상관측소에서 측정된 겨울철(12～1월) 평균 온 도자료를 참고하였다.
또한 VENTSIM 프로그램의 온도시뮬레이션을 수행 하기 위하여 갱내 온･습도, 단면적, 공기냉각기의 성능 및 현장에서 제공받은 측정된 암반온도 등을 입력 자료 로 활용하였다. 측정이 어려운 기타 입력 자료인 열전도율 (Conductivity), 비열(Specific heat), 확산계수(Diffusivity), 암반밀도(Rock density)등은 default value를 사용하였으 며, 그 내용은 Table 5와 같다.
위의 데이터들을 VENTSIM 프로그램에 입력하여
－425 ML의 주요 채탄작업장 15곳에 대하여 온도해석 을 실시한 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 현재 5대의 공기 냉각기가 총 13곳의 작업장에 풍관과 함께 활용 되고 있 으며, 이중 공기냉각기가 사용되지 않은 Fig. 7의 왼쪽 두 곳의 작업장의 경우 WBGT온도가 30.8℃로서 공기 냉각기의 활용 유무에 따라 작업환경이 확연하게 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 현장실측 시 측정한 온도데이터와 흡사한 결과이며 온도시뮬레이션을 위한 모델이 적합하다고 판단된다. 하지만 공기냉각기가 활용됨 에도 불구하고 5곳의 작업장에서는 WBGT온도가 25.9℃
이상으로 해석되었다. 이는 공기냉각기로부터 연결되는 풍관의 길이가 매우 길고 1대의 공기냉각기가 3곳의 작 업장에 활용되기 때문에 공기냉각기의 효율이 매우 떨어 지는 결과로 판단된다. 앞서 언급한 산업안전보건법의 기준에 의하여 50%휴식조건에서는 공기냉각기만 활용 한다면 기준 WBGT 27.9℃를 만족하지만, 25%의 휴식 조건에서의 WBGT 25.9℃를 초과하는 지역이 나타남에 따라서 공기냉각기의 추가활용이 불가피할 것으로 판단
Fig. 8. Result of temperature simulation and improvement of air cooling system in －425 ML.
Fig. 9. Comparison of before AC supplement and after AC supplement.
된다. 또한 공기냉각기의 위치에 따른 효과적 운영방안 이 필요한 것으로 나타났다.
앞선 결과에서 나타난 문제점을 개선하기 위하여 한 대의 공기냉각기가 최대 두 곳의 작업장에 활용될 수 있 는 조건을 적용하여 개선 시뮬레이션을 수행하였다. 공 기냉각기가 활용되지 않아 높은 WBGT온도를 보였던 작업장에 공기냉각기를 설치하고 풍관의 길이를 최소화 할 수 있는 공기냉각기의 위치를 수정하여 Fig. 8과 같이 시뮬레이션을 수행하였다. 3대의 공기냉각기를 추가 설 치하고 공기냉각기의 위치를 조정해서 해석한 결과, 모
든 작업장에 WBGT 25.9℃이하로 개선될 수 있음을 Fig. 9와 같이 확인하였다. 또한, 활용되는 공기냉각기 한 대당 필요한 소요공기량은 6 m3/s로써 총 8대의 공기 냉각기가 운영된다면 －425 ML에는 적어도 48 m3/s의 유입공기량이 필요하게 된다. 현재 수직갱의 연장굴착 및 풍문의 활용으로 인한 －425 ML에 유입되는 공기량 이 44.6 m3/s이고 추가로 사갱으로부터 유입되는 공기량 까지 포함한다면 8대의 공기냉각기 운영에 필요한 소요 공기량은 충분히 만족할 수 있을 것으로 판단된다.
Fig. 10. Temperature simulation by change of duct length.
Table 6. Result of temperature simulation by change of duct length
Condition Duct length
(m)
Dry bulb temp.
/ WBGT(℃)
Cooling dry bulb temp.
/ WBGT(℃)
∙VRT : 45.9℃
∙Intake air temp. : 31℃
∙Intake airflow rate : 15m3/s
1000 31.5 / 28.9 29.9 / 27.4
800 31.5 / 28.9 28.4 / 26.0
600 31.5 / 28.9 26.8 / 24.4
400 31.5 / 28.9 25 / 22.7
200 31.5 / 28.9 23 / 20.8
풍관길이 변화에 따른 작업장 온도 시뮬레이션 현재 －425 ML에서는 한 대의 공기냉각기를 이용하 여 2～3곳의 작업장에 풍관을 활용하여 공기를 유입하 고 있다. 앞선 시뮬레이션을 통해 풍관의 길이가 짧아짐 에 따라 온도개선에 효과가 있다는 것을 확인하였기 때 문에, 풍관의 길이 변화에 따른 작업장의 온도변화에 관 한 시뮬레이션을 수행하였다. 추가 채탄을 위하여 굴진 작업중인 －475 ML의 암반온도 45.9℃와 작업장 평균 건구온도 31.5℃, 갱내로 입기되는 공기온도 31℃, 공기 량 15 m3/s를 조건으로 하여 풍관의 길이를 변화시켜 가 며 시뮬레이션을 수행하였다. Fig. 10과 같이 공기냉각 기가 작업장과 일직선으로 연결된 상황으로 가정하였기 때문에 실제 현장과는 차이가 발생할 수 있지만, 일반적 인 경향을 확인하고자 하였다. 풍관의 길이는 200 m부 터 1,000 m까지 총 5개의 모델을 시뮬레이션하였다. 시 뮬레이션 결과 풍관의 길이가 200 m의 경우 동일한 용 량의 공기냉각기를 활용하였을 경우 Table 6과 같이 건구 온도가 23℃까지 떨어지는 결과를 확인하였고, 1,000 m 의 경우 온도 감소에 미치는 영향이 미미한 것으로 나타 났다. 본 시뮬레이션은 한 대의 공기냉각기가 한 곳의 작 업장에 활용되는 사례를 가정하였기 때문에, 실제로 공 기냉각기가 두 곳 이상의 작업장에 활용될 때는 온도 감 소 효과가 더 작을 것으로 판단된다. 이러한 결과를 바탕
으로 단일 작업장에 WBGT 25.9℃이하의 온도환경을 유지하기 위해서 공기냉각기를 활용할 경우, 풍관의 길 이는 최대 800 m를 초과하지 않아야 하며, 두 곳의 작업 장에 한 대의 공기냉각기를 활용할 경우에는 풍관의 길 이를 더 최소화해야 할 것으로 판단된다. 본 연구결과는 덕트에서 발생하는 누기량을 고려하지 않은 결과이며, 누기량의 예측치를 포함한다면 실제로 덕트의 한계길이 는 더 줄어들어야 할 것으로 예측된다.
결 론
본 연구에서는 강원도 태백에 위치하고, 현재 국내에 서 가장 깊은 심도에서 채탄이 이루어지고 있는 석탄광 산을 대상으로 열환경 개선을 위하여 VENTSIM 프로그 램을 사용하여 환기 및 온도 시뮬레이션을 수행하였다.
연구 대상 광산은 현재 주요 작업구간의 평균 건구온도 가 겨울철임에도 불구하고 33℃를 나타내며, 습도 또한 90%이상으로 열환경 개선이 매우 시급한 실정이다. 이 러한 열악한 열환경 개선을 위하여 현장실측을 통하여 기초 데이터를 수집하고 이를 바탕으로 공기량 증대를 위한 시뮬레이션과 공기냉각기의 효과적 활용방안에 대 한 시뮬레이션을 수행하였다. 연구의 결과를 정리하면 다음과 같다.
1. 연구광산의 정확한 모델완성을 위하여 계산된 자연 환기력 약 245 Pa를 적용하여 모델을 완성하였다. 현 장실측 기간이 겨울철임을 감안하여 자연환기력을 계산하였지만, 내･외부의 온도차이가 작게 나타나는 여름철의 경우 더 작은 자연환기력이 형성될 것으로 예측된다.
2. 완성된 모델을 바탕으로 제 1수직갱의 추가 굴착을 활용한 주요 작업장 유입공기량 증대 시뮬레이션을 수행한결과, 수직갱 상부에서 발생되는 많은 누기량 으로 인하여 개선에 효과가 없음을 확인하였다. 이를 개선하기 위하여 제 1 수직갱으로부터 작업이 완료된 레벨로 누기되는 공기량을 풍문을 활용하여 차단하 고 시뮬레이션 한 결과 50%이상 증가된 공기량을 주 요작업구간에 유입시킬 수 있는 것을 확인하였다.
3. 산업안전보건법 기준 WBGT 25.9℃를 기준목표로 설정하고 주요작업장 온도해석을 실시한 결과 공기 냉각기의 활용유무에 따라 높은 온도차이가 나타났 다. 이를 개선하기 위하여 한 대의 공기냉각기가 최대 두 곳의 작업장에 활용될 수 있도록 3대의 공기냉각 기를 추가하여 해석한 결과 목표온도 이하를 기대할 수 있었다.
4. 풍관의 길이에 따른 작업장 온도 시뮬레이션을 수행 한 결과. 풍관의 길이가 짧을수록 온도 감소 효과가 매우 높게 나타났으며, 1,000 m의 경우 공기냉각기의 효율이 현저하게 떨어지는 것으로 나타났다. 또한 한 대의 공기냉각기가 한 곳의 작업장에 활용될 경우 풍 관의 길이는 최대 800 m를 넘어서는 안되며, 한 대의 공기냉각기가 두 곳의 작업장에 활용될 경우 풍관의 길이를 더 최소화해야 할 것으로 판단된다.
사 사
이 논문은 한국광해관리공단과 인하대학교의 지원으 로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.
References
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166-175.
장 승 현
2012년 인하대학교 공과대학 환경공학 과 공학사
2014년 인하대학교 대학원 에너지자원 공학과 공학석사
현재 지오제니컨설턴트 자원사업부 사원 (E-mail; [email protected])
김 진
1987년 인하대학교 공학사
1990년 미국 University of Kentucky 공 학석사
1995년 미국 University of Missouri-Rolla 공학박사
현재 인하대학교 에너지자원공학과 교수 (E-mail; [email protected])
노 장 훈
2009년 인하대학교 환경공학과 공학사 2012년 인하대학교 에너지자원공학과
공학석사
현재 인하대학교 에너지자원공학과 박사과정 (E-mail; [email protected])
