• Technical Notes

    진동기반 하중 추정기법의 이론 및 암반 천공용 유압 브레이커 적용사례

    The Theory of Load Estimation Method and Case Study of Hydraulic Breaker for Rock Drilling

    김대지, 조정우, 오주영, 정진태, 송창헌

    Dae-ji Kim, Jung-Woo Cho, Joo-Young Oh, Jintai Chung, Changheon Song

    본 논문은 기계시스템의 하중추정 기법 및 적용사례 소개가 목적이다. 이를 위해 진동기반 하중추정 기법의 이론적 배경 및 하중정량화 절차를 구체적으로 설명하였다. 또한 ...

    This paper introduced a impact load estimation method by examining vibration transfer path analysis (TPA). The theoretical background and the load quantification ...

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    본 논문은 기계시스템의 하중추정 기법 및 적용사례 소개가 목적이다. 이를 위해 진동기반 하중추정 기법의 이론적 배경 및 하중정량화 절차를 구체적으로 설명하였다. 또한 충격하중 및 진동이 발생하는 천공장비에 적용하여 진동기반 하중추정 기법의 적용성과 한계점을 분석하고 이에 대한 대응책에 대해 논의하였다. 마지막으로, 하중추정 기술의 추가 연구의 필요성을 토의하고, 새로운 충격하중 측정기술 개발을 위한 방법론을 제안하였다.


    This paper introduced a impact load estimation method by examining vibration transfer path analysis (TPA). The theoretical background and the load quantification procedure are explained, and a case study of hydraulic breaker is reported. We explained the merits and limitations of the load estimation method of TPA, and improvement method was suggested through case analyses of drilling equipment. The necessity of R&D of load-estimation technology was discussed. A new strategy for developing new techniques for impact load measurement was proposed.

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    June 2019
  • Technical Notes

    언더커팅 개념을 적용한 암반절삭기술의 현황 분석

    Current Status of Rock Cutting Technique Using Undercutting Concept

    정호영, 최승범, 전석원

    Hoyoung Jeong, Seungbeom Choi, Seokwon Jeon

    최근 도심지에서의 터널 및 지하공간 개발에 있어 TBM을 비롯한 다양한 형태의 기계식 굴착장비의 적용이 증가하고 있다. 한편 기존의 전통적인 암석절삭방식에서 변형된 언더커팅방식 ...

    In urban area, the use of mechanical excavators (e.g., TBM and roadheader) has been increasing in construction of tunnelling and underground ...

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    최근 도심지에서의 터널 및 지하공간 개발에 있어 TBM을 비롯한 다양한 형태의 기계식 굴착장비의 적용이 증가하고 있다. 한편 기존의 전통적인 암석절삭방식에서 변형된 언더커팅방식 적용한 암반의 기계식 굴착공법에 대한 연구가 선진국을 중심으로 수행되어 소개된 바 있다. 따라서 국내에서도 기존의 암반기계굴착에 대한 연구를 지속적으로 수행함과 동시에 최신 기술에 대한 연구가 요구된다. 본 연구에서는 언더커팅에 대한 기초연구로서 해당 기술의 원리 및 굴착방식에 대한 소개와 더불어 해외 선진 기관들의 연구 현황을 조사하였다. 언더커팅공법은 터널 및 지하공간의 개발을 위한 단독공법으로 적용이 가능할 뿐만 아니라 터널의 확공 및 기존 공간의 확장을 위한 보조공법으로의 활용성도 우수한 것으로 판단되었다.


    In urban area, the use of mechanical excavators (e.g., TBM and roadheader) has been increasing in construction of tunnelling and underground space. The undercutting technology, which is modified from the conventional rock-cutting concept, has been developed by advanced countries. Therefore, research on the latest technology of mechanical excavation is required, and keeping carrying out research on conventional mechanical tunneling methods at the same time. In this study, as a fundamental study of the undercutting technique, the principle and concept of the undercutting were introduced, as well as the current status of the research of advanced countries. The undercutting is applicable as a full-face excavation method for the tunnels and underground spaces, as well as an auxiliary(partial-face excavation) method for extension of the existing tunnels.

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    June 2019
  • Original Article

    액체 이산화탄소 파쇄법의 파쇄 압력, 음향 방출, 균열 형상에 관한 실험적 연구

    Experimental Study of Breakdown Pressure, Acoustic Emission, and Crack Morphology in Liquid CO2 Fracturing

    하성준, 윤태섭

    Seong Jun Ha, Tae Sup Yun

    액체 이산화탄소 파쇄법은 기존 수압 파쇄법에서 물 사용으로 발생하는 환경 문제를 완화시키기 위한 차세대 해결책으로 제안되어 왔으며, 액체 이산화탄소의 낮은 점성도를 이용하여 ...

    The fracturing by liquid carbon dioxide (LCO2) as a fracking fluid has been an alternative to mitigate the environmental issues often caused ...

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    액체 이산화탄소 파쇄법은 기존 수압 파쇄법에서 물 사용으로 발생하는 환경 문제를 완화시키기 위한 차세대 해결책으로 제안되어 왔으며, 액체 이산화탄소의 낮은 점성도를 이용하여 암석 공극 내 유체 주입을 수월하게 할 수 있다. 본 연구에서는 액체 이산화탄소의 공극 내 주입이 파쇄 과정 중에 발생하는 파쇄 압력, 음향 방출, 균열 형상에 어떻게 영향을 미치는지에 대해 초점을 맞추었다. 이를 위해 점성도가 다른 액체 이산화탄소, 물, 오일을 파쇄 유체로 사용하여 주입 속도를 다르게 하며 인공적으로 제작한 다공성 모르타르 시편을 대상으로 실내실험을 수행하였다. 또한 기존 수압 파쇄법의 주 대상 암종인 셰일 시편의 실험에서 액체 이산화탄소 파쇄법에 의한 셰일의 파괴 특징들을 분석하였다. 실험 결과 이산화탄소 주입 시 균열이 더 비틀린 물결 형상을 띄었으며 특히, 셰일 시편에서는 그 균열 부피가 물 주입에 비해 더 발달하였다. 반면, 파쇄 유체와 파쇄 압력의 관계는 두 시편의 실험에서 반대의 경향을 보였다.


    The fracturing by liquid carbon dioxide (LCO2) as a fracking fluid has been an alternative to mitigate the environmental issues often caused by the conventional hydraulic fracking since it facilitates the fluid permeation owing to its low viscosity. This study presents how LCO2 injection influences the breakdown pressure, acoustic emission, and fracture morphology. Three fracturing fluids such as LCO2, water, and oil are injected with different pressurization rate to the synthetic and porous mortar specimens. Also, the shale which has been a major target formation in conventional fracking practices is also tested to examine the failure characteristics. The results show that LCO2 injection induces more tortuous and undulated fractures, and particularly the larger fractures are developed in cases of shale specimen. On the other hand, the relationship between the fracturing fluids and the breakdown pressure shows opposite tendency in the tests of mortar and shale specimens.

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    June 2019
  • Original Article

    임의 최소주응력 구간에서 일반화된 Hoek-Brown 파괴기준식을 최적 근사하는 등가 Mohr-Coulomb 강도정수 계산식

    Analytical Formula for the Equivalent Mohr-Coulomb Strength Parameters Best-fitting the Generalized Hoek-Brown Criterion in an Arbitrary Range of Minor Principal Stress

    이연규

    Youn-Kyou Lee

    Hoek et al.(2002)이 개발한 일반화된 Hoek-Brown(GHB) 파괴기준식은 암반의 파괴응력 조건을 정의하는 비선형 함수이다. 관련 강도정수들은 GSI 지수값을 이용하여 체계적으로 ...

    The generalized Hoek-Brown (GHB) failure criterion developed by Hoek et al. (2002) is a nonlinear function which defines a stress condition at ...

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    Hoek et al.(2002)이 개발한 일반화된 Hoek-Brown(GHB) 파괴기준식은 암반의 파괴응력 조건을 정의하는 비선형 함수이다. 관련 강도정수들은 GSI 지수값을 이용하여 체계적으로 결정된다. GSI 지수는 현장 암반의 상태를 정량화한 수치이므로 GHB 파괴기준식은 현장의 암반조건을 파괴기준식에 반영할 수 있는 실용적인 암반파괴함수이다. 대부분의 암반공학 기술자들이 선형 Mohr-Coulomb 파괴기준식에 익숙하며, 다수의 암반공학 소프트웨어들이 Mohr-Coulomb 식을 채택하고 있음을 고려하여 등가마찰각과 등가점착력 계산식이 GHB 파괴기준식 발표와 함께 제시되었다. 그러나 이 목적으로 제시된 등가마찰각 및 등가점착력 계산식은 선형 최적화가 수행되는 최소주응력 범위의 하한 값을 암반의 인장강도로 고정시키고 있다. 따라서 해석영역에 인장응력이 분포하지 않은 경우 Hoek et al.(2002)의 제안식을 이용한 등가마찰각 및 등가점착력 산정결과는 정확성이 떨어질 수 있다. 이러한 기존 등가마찰각 및 등가점착력 산정수식의 단점을 극복하기 위하여 이 연구에서는 임의의 최소주응력 구간에 대해서도 최적 등가마찰각과 등가점착력을 계산할 수 있는 해석적 수식을 유도하고 결과식의 정확성을 검증하였다.


    The generalized Hoek-Brown (GHB) failure criterion developed by Hoek et al. (2002) is a nonlinear function which defines a stress condition at failure of rock mass. The relevant strength parameter values are systematically determined using the GSI value. Since GSI index is a value quantifying the condition of in-situ rock mass, the GHB criterion is a practical failure condition which can take into the consideration of in-situ rock mass quality. Considering that most rock mechanics engineers are familiar with the linear Mohr-Coulomb criterion and that many rock engineering softwares incorporate Mohr-Coulomb criterion, the equations for the equivalent friction angle and cohesion were also proposed along with the release of the GHB criterion. The proposed equations, however, fix the lower limit of the minor principal stress range, where the linear best-fitting is performed, with the tensile strength of the rock mass. Therefore, if the tensile stress is not expected in the domain of analysis, the calculated equivalent friction angle and cohesion based on the equations in Hoek et al. (2002) could be less accurate. In order to overcome this disadvantage of the existing equations for equivalent friction angle and cohesion, this study proposes the analytical formula which can calculate optimal equivalent friction angle and cohesion in any minor principal stress interval, and verified the accuracy of the derived formula.

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    June 2019
  • Original Article

    딥러닝을 이용한 화강암 X-ray CT 영상에서의 균열 검출에 관한 연구

    Pixel-level Crack Detection in X-ray Computed Tomography Image of Granite using Deep Learning

    현석환, 이준성, 전성환, 김예진, 김광염, 윤태섭

    Seokhwan Hyun, Jun Sung Lee, Seonghwan Jeon, Yejin Kim, Kwang Yeom Kim, Tae Sup Yun

    본 연구에서는 화강암 시편에서 수압 파쇄법에 의해 생성된 미세균열의 3차원 형상을 X-ray CT 영상과 딥러닝을 이용하여 추출하였다. 실험으로 생성된 미세균열은 X-ray CT ...

    This study aims to extract a 3D image of micro-cracks generated by hydraulic fracturing tests, using the deep learning method and X-ray ...

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    본 연구에서는 화강암 시편에서 수압 파쇄법에 의해 생성된 미세균열의 3차원 형상을 X-ray CT 영상과 딥러닝을 이용하여 추출하였다. 실험으로 생성된 미세균열은 X-ray CT 영상 상에서 일반적인 영상처리 방법으로는 추출하기 매우 어렵고 육안으로만 관찰이 가능한 형태를 지닌다. 하지만 본 연구에서 제안한 합성곱 신경망(Convolutional neural network) 기반 인코더-디코더(Encoder-Decoder) 구조의 딥러닝 모델을 통해 미세균열을 정량적으로 추출할 수 있었다. 특히 픽셀 단위의 미세균열 추출을 위해 인코딩 과정에서 소실되는 정보를 디코딩 과정으로 직접 전달하는 디코더 모델을 제안하였다. 또한, 딥러닝 기반 신경망 학습에 필요한 데이터의 수를 증가시키기 위해 이미지의 분할(Division), 회전(Rotation), 그리고 반전(Flipping) 등으로 데이터를 생성하는 영상 증대 방법을 적용하였으며 이때 최적의 조합을 확인하였다. 최적의 영상 학습 데이터 증대 방법을 적용하였을 때 검증 데이터뿐만 아니라 테스트 데이터에서의 성능 향상을 확인하였다. 학습 데이터의 원본 개수가 딥러닝 기반 신경망의 균열 추출 성능에 미치는 영향을 확인하고 딥러닝 기술을 사용하여 성공적으로 미세균열을 추출하였다.


    This study aims to extract a 3D image of micro-cracks generated by hydraulic fracturing tests, using the deep learning method and X-ray computed tomography images. The pixel-level cracks are difficult to be detected via conventional image processing methods, such as global thresholding, canny edge detection, and the region growing method. Thus, the convolutional neural network-based encoder-decoder network is adapted to extract and analyze the micro-crack quantitatively. The number of training data can be acquired by dividing, rotating, and flipping images and the optimum combination for the image augmentation method is verified. Application of the optimal image augmentation method shows enhanced performance for not only the validation dataset but also the test dataset. In addition, the influence of the original number of training data to the performance of the deep learning-based neural network is confirmed, and it leads to succeed the pixel-level crack detection.

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    June 2019
  • Original Article

    스위스 Mont Terri 지하연구시설 단층 내 유체 주입시험 모델링: 국제공동연구 DECOVALEX-2019 Task B(Step 2)

    Numerical modelling of Fault Reactivation Experiment at Mont Terri Underground Research Laboratory in Switzerland: DECOVALEX-2019 TASK B (Step 2)

    박정욱, Yves Guglielmi, Bastian Graupner, Jonny Rutqvist, 박의섭

    Jung-Wook Park, Yves Guglielmi, Bastian Graupner, Jonny Rutqvist, Eui-Seob Park

    본 연구에서는 TOUGH-FLAC 연동해석기법을 이용하여 Mont Terri 지하연구시설에서 수행된 단층 내 물 주입시험을 수치적으로 모델링하고, 단층의 재활성과 수리역학적 거동 특성을 살펴보았다. TOUGH2 ...

    We simulated the fault reactivation experiment conducted at ‘Main Fault’ intersecting the low permeability clay formations of Mont Terri Underground Research Laboratory ...

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    본 연구에서는 TOUGH-FLAC 연동해석기법을 이용하여 Mont Terri 지하연구시설에서 수행된 단층 내 물 주입시험을 수치적으로 모델링하고, 단층의 재활성과 수리역학적 거동 특성을 살펴보았다. TOUGH2 해석에서는 단층을 Darcy의 법칙과 삼승법칙(Cubic law)을 따르는 연속체 요소로 모델링하였으며, FLAC3D 해석에서는 미끄러짐과 개폐가 허용되는 불연속 인터페이스 요소를 통해 모사하였다. 현장에서 획득한 단층의 균열개방압력(fracture opening pressure), 주입율, 모니터링 압력, 변위 곡선 등을 바탕으로, 단층의 탄성적 변형과 파괴에 의한 수직팽창 특성을 반영할 수 있는 수리간극모델과 수리역학 커플링 관계를 해석모델에 반영하였다. 한편, 현지응력 조건, 단층의 강도 및 변형 특성에 따른 파라미터 해석을 실시하여 각 입력변수가 해석 결과에 미치는 영향을 분석하였으며, 이를 통해 현장시험 결과를 가장 잘 재현할 수 있는 파라미터 조합을 선정하였다. 해석 결과, 균열개방압력에서 단층의 주입율과 모니터링 압력이 크게 증가하는 현상을 합리적으로 재현할 수 있었다. 하지만, 동일한 입력 변수 조건에서 단층의 전단변위와 파괴영역의 범위는 현장시험 결과에 비해 과대평가되는 결과를 보였다. 이는 해석모델에서는 고압의 주입조건에서 단층의 지속적인 전단파괴가 유도되는 반면, 현장에서는 수리간극의 변화가 전단 미끄러짐보다는 인장력에 의한 단층면의 개방(tensile opening)에 크게 의존하는 것으로 추정되기 때문이다.


    We simulated the fault reactivation experiment conducted at ‘Main Fault’ intersecting the low permeability clay formations of Mont Terri Underground Research Laboratory in Switzerland using TOUGH-FLAC simulator. The fluid flow along a fault was modelled with solid elements and governed by Darcy's law with the cubic law in TOUGH2, whereas the mechanical behavior of a single fault was represented by creating interface elements between two separating rock blocks in FLAC3D. We formulate the hydro-mechanical coupling relation of hydraulic aperture to consider the elastic fracture opening and failure-induced dilation for reproducing the abrupt changes in injection flow rate and monitoring pressure at fracture opening pressure. A parametric study was conducted to examine the effects of in-situ stress condition and fault deformation and strength parameters and to find the optimal parameter set to reproduce the field observations. In the best matching simulation, the fracture opening pressure and variations of injection flow rate and monitoring pressure showed good agreement with field experiment results, which suggests the capability of the numerical model to reasonably capture the fracture opening and propagation process. The model overestimated the fault displacement in shear direction and the range of reactivated zone, which was attributed to the progressive shear failures along the fault at high injection pressure. In the field experiment results, however, fracture tensile opening seems the dominant mechanism affecting the hydraulic aperture increase.

    - COLLAPSE
    June 2019