Tunnel and Underground Space. December 2018. 609-619
https://doi.org/10.7474/TUS.2018.28.6.609


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 실험 개요

  •   2.1 실험 현장

  •   2.2 실험 방법

  • 3. 실험 결과

  •   3.1 자연통기효과

  •   3.2 주선풍기 가동에 의한 통기량 및 통기방향

  •   3.3 주선풍기 가동에 기류 유동의 동적 특성

  •   3.4 갱내 전체 통기계통내 난류확산계수

  • 4. 결 론

1. 서 론

최근 연산 0.25~1.50백만톤 규모의 국내 주요 석회석 광산 9개소의 통기 인프라를 분석 결과 (1) 석회석 광산은 5.5~40 m/년 정도로 심부화가 진행되어 현재 갱구 기준으로 최대 약 200 m 정도까지 심부화되었으며 (2) 모든 현장에서 천공, 스케일링, 굴착, 적재, 운반 작업에 디젤장비를 활용하고 있고, (3) 주선풍기(main fan)를 이용한 전체 갱내통기를 하고 있는 현장은 전무하고, 거의 모든 현장이 자연통기에 의존하며, 작업장 통기는 일부 국부 선풍기를 활용하고 있음으로 조사되었다. 한편, (4) 통기전문인력 보유 광산은 30%에 불과하였으며 생산계획과 연계된 통기망 확충 계획을 수립하고 있는 광산은 전무하였다.

따라서 급속히 대형화 및 심부화가 이루어지고 있는 국내 석회석 광산은 자연통기에 전적으로 의존함에 따라 주요갱도에서의 통기방향 및 통기량의 제어가 불가능하므로 향후 심부화 및 디젤장비 사용의 증가에 따른 작업공간내 환경 문제의 해결 방안 강구가 시급한 과제로 대두되고 있다. 이에따라 작업환경 개선을 위한 통기문제의 해결 없이는 2018년 현재 약 130개인 국내 석회석 가행 광산의 규모를 고려할 때 체계적 장기개발 계획의 실현이 거의 거의 불가능한 상황이라고 판단된다.

본 연구에서는 최근 110 m 깊이의 지름 2 m 통기전용 수갱을 굴착하고 67 KW 용량의 주선풍기를 설치한 충청북도 소재의 D광업소 현장을 대상으로 통기조사를 수행하여 통기수갱의 효율을 분석함을 목적으로 하였으며 궁극적으로는 국내 석회석 광산의 중장기적 통기망 확충을 위한 기초 자료를 제공함을 목표로 하였다.

2. 실험 개요

2.1 실험 현장

수갱의 통기효과를 분석하기 위하여 충북 제천시 소재 D광산을 대상으로 통기조사 및 분석을 수행하였다. Fig. 1은 D광산의 통기 계통도이며 Table 1은 현장에 설치된 Epiroc사의 고풍압 Serpent 선풍기(φ1250 mm) Epiroc AVH125의 주요 사양이다. 주선풍기로 이용되는 Serpent선풍기는 수갱의 상부에 수직으로 Fig. 2와 같이 설치되었다. 현장의 갱구는 370 ML에 위치하며 지름 2 m의 수갱은 갱구와 동일한 고도의 인접 지점에서부터 4편인 260 ML까지 굴착되었다. 주선풍기가 설치된 수갱의 칼러(collar)에는 통기게이트를 설치하여 팬을 가동하지 않을 경우 게이트를 개방하여 자연통기력이 작용할 수 있도록 하고 있다. 한편 Fig. 1에서 보는 바와 같이 주선풍기는 배기방식으로 가동되며 갱구로부터 유입된 기류는 4편까지 rampway를 통하여 유입되어 수개하부에 도달한 후 수갱을 통하여 대기로 배기된다.

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Fig. 1.

Ventilation network at Mine D

Table 1. Main fan specifications

Category Specifications Vertical installation
Diameter (mm) 1250 http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksrm/2018-028-06/N0120280608/images/ksrm_28_06_08_T1.jpg
Pressure (Pa) 1848 at the operating point
Quantity (m3/s) 28.9
Power (KW) 67
Frequency (Hz) 60
Blade angle (°) 42

2.2 실험 방법

수갱에 설치된 주선풍기를 배기방식으로 가동한 경우 Fig. 1에서와 같이 370 ML갱구를 통하여 입기되어 rampway 그리고 260 ML의 4편까지 굴착된 수갱을 통하여 배기된다. 따라서 본 연구에서는 Table 2에 정리한 바와 같이 갱외부에서는 기압 및 온도, 갱구부, 290 ML 3편과 4편 연결 rampway, 수갱 하부에서는 온도(기류 및 내벽), 풍속을 실시간 모니터링하였다.

한편 주선풍기 가동 후, 통기계통도내 기류 유동이 정상상태에 도달하기까지의 풍속 추이를 분석하기 위하여 갱구에서 추적가스 SF6를 확산하고 수갱하부 지점에서 농도를 모니터링하였다.

Table 2. Monitoring stations and equipment installation

Station no. Location Monitoring target Site
1 Outside Atmospheric pressure, temperature http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksrm/2018-028-06/N0120280608/images/ksrm_28_06_08_T2.jpg
2 Inside the portal Temperature (air, wall surface), Velocity
3 Rampway between 290~260ML
4 At the shaft bottom

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Fig. 2.

SF6 dispersion and monitoring

3. 실험 결과

3.1 자연통기효과

수갱의 통기효과를 분석하기 위하여 충북 제천시 소재 D광산을 대상으로 2018년 10월 14일 10:30부터 16일 16:30까지 갱내외 기압, 온도 및 기류 유동(풍속 빛 방향)을 조사 및 분석하였다. 온도 및 풍속측정 결과를 Fig. 3~5에 도시하였다. 수갱 건설이전인 갱내부 연결부는 운반갱도 1개와 운반 갱구 부근의 폐갱구 2개소이었으나 폐갱구와 운반갱구는 갱구 부근에서 연결 되어 있어 지하갱도 1편이하의 통기는 전혀 이루어지지 않았다. 그러나 수갱 건설 후의 통기 흐름은 Fig. 1에서와 같이 고도가 같은 지점에 위치한 수갱과 운반갱구사이에서 이루지고 있으며 주선풍기의 가동 전 자연통기에 의존하는 경우에는 수갱으로부터 갱구방향으로 입기되며, 선풍기 가동 후에는 갱구로부터 수갱으로 배기가 되고 있다. 현장 측정 당시의 기류의 유동 방향은 Fig. 6과 같이 관찰되었다.

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Fig. 3.

Measurements in the 1st day

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Fig. 4.

Measurements in the 2nd day

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Fig. 5.

Measurements in the 3rd day

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Fig. 6.

Airflow direction in the ventilation network

갱구에 작용하는 외부풍의 풍압이나 갱내 운행차량에 의한 피스톤효과(piston effect)의 영향이 크지 않은 광산내 자연통기는 갱도내 공기밀도차이에 의하여 발생한 압력차이에 의한 현상이다. 특히 본 연구 대상인 D광산과 같이 연산 31만톤(2017년 기준) 규모의 중규모 광산에서는 갱도규모(길이 및 단면)에 비하여 차량 운행의 빈도가 크므로 차량운향에 의한 기류유동 효과인 피스톤효과가 상대적으로 크나 Fig. 3~5에서 보는 바와 같이 차량을 포함한 장비의 이동이 이루어지는 작업시간대인 8:00~17:00사이에 관찰된 순간적인 풍속의 변동은 준정상류(pseudo-steady state flow)로 해석할 수 정도로 큰 편은 아니게 나타나고 있다. 따라서 자연환기압의 추정은 Fig. 7과 같이 수갱내부와 수갱이 연결된 갱구로부터 4편까지의 rampway내 평균 공기밀도의 추정으로 가능하다.

수갱내부 평균온도는 수갱하부와 및 외부 온도의 평균으로 가정하고, 갱구로 부터 4편까지 연결된 rampway내 평균온도는 외부, 갱구, rampway내 온도의 평균으로 각각 가정하였다. Fig. 8에는 수갱내부 및 rampway내부의 평균온도와 수갱하부로 유입되는 자연통기 풍속의 분포를 도시하고 있다. 주선풍기의 가동에 따라 풍속의 급격한 증가가 없는 순수 자연통기에 의한 시간대에서는 하향 구간(수갱) 내부 평균온도가 상향구간(rampway) 내부 평균온도보다 상대적으로 작게 관찰되어 공기밀도가 큰 수갱에서 갱구방향으로 기류유동이 이루어지며 이에 따른 자연통기풍속인 수갱하부 유입 풍속과 평균온도차이 사이에 명확한 상관 관계가 있음을 3일 동안의 모든 관측값에서 관찰할 수 있다. 자연통기에 의한 통기량은 0~11.7 m3/s 정도이다. 측정결과를 상향 및 하향구간의 온도차이와 수갱 하부 유입풍속간의 관계로 도시하면 Fig. 9와 같으며 상관계수 0.79의 상관관계를 보임에 따라 연구현장인 D광산의 경우에 상향 및 하향구간의 평균 온도 모니터링에 의한 자연통기량의 예측이 다음과 같은 선형관계식으로 가능함을 알 수 있다.

$$\mathrm{자연}통\mathrm{기량}(m^3/s)={0.0961}\times(\mathrm{수갱내부}\;평\mathrm{균온도}-ramway\mathrm{내부}\;평\mathrm{균온도}){(^\circ}C)$$
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Fig. 7.

Estimation of natural ventilation pressure

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Fig. 8.

Variation of temperature and natural velocity in the upcast and downcast airways

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Fig. 9.

Relationship between induced velocity and upcast-downcast temperature difference

3.2 주선풍기 가동에 의한 통기량 및 통기방향

수갱 상부에 설치한 67KW Serpent 주선풍기의 가동에 의한 수갱 하부 풍속의 변화는 Fig. 3~5에 잘 나타나 있으며 선풍기는 배기방식으로 운전하므로 갱구로부터 수갱방향으로 기류 유동이 되며 수갱하부내 배기풍속은 0.45~0.55 m/s, 풍량 20.3~24.8 m3/s이었다. 한편 Fig. 10은 주선풍기 가동시의 운전점을 보여준다. 선풍기 특성곡선은 선풍기 공급자가 제공한 곡선이며 광산통기특성곡선(P=RQ2) C와의 교차점(P: 1848Pa, Q: 28.9 m3/s)은 선풍기 설치시 측정된 운전점이나 본 연구시 측정된 통기량 Q의 범위 20.3~24.8 m3/s에 의하여 추정된 선풍기 운전점의 범위는 통기특성곡선 A 및 B와 교차점으로 정의되는 운전점 사이 범위이다. 본 연구 수행시 선풍기의 가동은 작업시간 중에만 진행하였으며 선풍기 가동에 의한 통기량이 선풍기 공급자의 제공 운전점의 통기량에 비하여 상대적으로 적게 나타났다. 선풍기 특성곡선은 공기온도의 변화에 따른 공기밀도의 변화시 선풍기 승압력과 동력이 비례하여 변화하나 이 보다는 상대적으로 영향이 큰 광산통기 특성곡선의 이동이 주요 원인으로 판단된다. 통기 특성곡선의 이동은 갱내 장비, 특히 대형 운반트럭(15톤, 25톤, 35톤) 및 기타장비(천공기, 굴삭기, ANFO charger, 유틸리티 차량)의 운행에 따른 R(갱내통기저항계수)의 변화에 의한 것으로 추정된다. 이는 작업시간동안의 갱내 풍속 순간변동이 현저하게 나타나는 풍속분포 곡선으로 부터 확인이 가능하다. 따라서 주선풍기의 가동에 의한 갱내 풍속의 안정화 및 풍속의 제고를 위하여서는 갱내 기류유동의 주요 갱도내의 장비운행의 저감을 위한 노력이 필요함을 알 수 있다(Grau et. al, 2006).

한편, 주선풍기 가동시 Fig. 8에서 보는 바와 같이 선풍기에 의하여 유입된 기류의 상대적 빠른 유동에 따라 rampway구간과 수갱내부의 평균 온도차이가 현저히 감소한다. 따라서 선풍기 가동에 따른 통기량의 정확한 예측을 위하여서는 자연통기압의 분석 보다는 Fig. 10에서 보는 바와 같이 장비 이동에 따른 광산통기 특성곡선의 변화를 분석하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

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Fig. 10.

Changes in fan operating condition

3.3 주선풍기 가동에 기류 유동의 동적 특성

배기방식으로 선풍기를 가동한 후 갱구로부터 유입된 기류는 일반적으로 10.5 m(W)×6.5 m(W) 크기의 대단면 갱도를 통하여 0.2~0.4 m/s 풍속으로 유동하나 2개의 병렬연결 갱도로 굴진된 편(level)의 경우 크로스컷(X-cut)의 크기는 상대적으로 작다. 또한 편과 편 사이에는 통기승갱 또는 케이블용 관통구가 굴착되어 있으며 4편과 수갱 하부를 연결하는 갱도는 7.5 m(W)×6 m(H)이다. 따라서 갱구로부터 유입된 신선한 입기가 수갱하부까지 1912 m(갱구 운반갱도, rampway, 4편 갱도를 통한 최단거리)를 유동하는데 소요되는 시간이 상당할 것으로 예상된다. 이를 분석하기 위하여 Howden사의 광산통기 시뮬레이터인 VentSim 버전 5.1.1을 이용하여 수갱을 통한 배기량 23 m3/s을 가정하고 입기 갱구 부근에서 60초 동안 농도 100%의 가스를 20초간 확산할 경우, 수갱하부점에서 모니터링한 가스의 농도분포를 Fig. 11에 도시하였다. 약 1시간 경과 후에 수갱바닥에 도착한 가스는 1시간 40분 경과시 최대농도를 보인 후 점진적으로 감소하며 2시간 경과 후에도 지속적으로 모니터링된다. 현재 세계적으로 가장 많이 이용되고 있는 통기시뮬레이터인 VentSim과 SRK Consulting사의 VnetPC는 난류확산(turbulent diffusion)에 의한 물질이동을 고려하지 않고 단지 이류확산(advective dispersion)만에 의한 물질 확산농도의 추정만이 가능하다. 따라서 Fig. 11에 나타난 첫 농도 관찰시간은 난류확산에 의한 가스확산에 기인하지 않고 풍속이 상대적으로 높은 갱도(소단면 병렬갱도 및 관통 갱도 등)을 통하여 상대적으로 빨리 도달하는 가스에 의한 것이며 확산 가스의 대부분은 갱구를 통한 주 운반갱도인 rampway 및 4편 갱도를 통하여 도달하므로 상당 시간 경과 후에 최대 농도를 보인다. 1912 m를 약 0.3 m/s의 풍속으로 유동한 가스가 70분 정도 경과 후에 수갱하부 모니터링 지점에 도달하는 것으로 해석이 된다.

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Fig. 11.

VentSim simulation results for the air velocity and gas dispersion

시뮬레이션을 위한 갱도 통기저항계수는 국내 석회석 광산을 대상으로 차압측정방식과 선풍기를 이용한 속도감쇠법 모두를 적용하여 연구한 박동준 등(2017)의 연구 결과를 이용하여 0.0125 kg/m3를 K값으로 가정하였다. 두 방법으로 박동준 등(2017)이 추정한 저항계수는 불규칙적인 발파면을 가진 갱도의 통기저항계수인 0.009~0.015 kg/m3(Prosser and Wallace, 1999, Brian and Loomis, 2004; Lee et. al, 2004; Montecinos and Wallace, 2010; CHASM, 2015)와 유사한 결과를 보였다.

한편, 기류유동의 동적 특성을 분석하기 위하여 Fig. 2의 시뮬레이션 상황과 동일한 지점에서 선풍기 가동 시간대에 확산 실험을 수행하였다. 추적가스로는 SF6 약 120~130 liter정도를 풍선에 담아 순간 확산하였으며 수갱하부에 INNOVA사의 Model 1312 Photo-acoustic 가스 모니터를 설치하여 농도 모니터링을 수행하였다. 2회에 걸쳐 수행한 확산 실험 결과를 Fig. 12에 도시하였다. 점으로 도시된 추적가스 농도의 초기 측정시간은 확산 후 각각 34분, 36분이었으며 피크 농도 도달시간은 각각 63분, 62분으로 두 실험 모두 매우 유사하며 모두 피크 농도에 도달한 후 상당 시간동안 지속적으로 농도가 측정되었음을 알 수 있다. 이는 VentSim 시뮬레이션 결과로 부터 예상되었던 결과이다. 피크농도의 시간을 기준으로 추정한 평균 풍속은 각각 0.50 m/s, 0.52 m/s이며 선풍기 가동시의 수갱하부내 배기풍속 0.45~0.55 m/s과 거의 일치함을 알 수 있다.

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Fig. 12.

SF6 concentration distributions at the shaft bottom

3.4 갱내 전체 통기계통내 난류확산계수

평균 풍속으로 추정 가능한 피크농도와는 달리 이보다 각각 29분, 26분 빨리 관측된 초기 농도값은 난류확산에 기인하는 것으로 추정된다. Fig. 12에는 농도 측정값과 동시에 이류 및 난류확산에 의한 다음과 같은 물질확산농도식에 의한 추정 곡선을 중복 도시하였다. 두 번의 실험 모두 초기 농도 관측시점, 초기 농도 증가 추세 그리고 피크 농도 도달시기 및 농도가 뚜렷한 유사성을 보인다. 피크농도 관찰 후 지속적으로 관측되는 농도는 장비 이동에 의한 난류강도의 증가 및 여타 기류유동이 없는 갱도로 확산된 가스의 재유입에 따른 것으로 판단된다.

$$C(x,t)=\frac V{2A\sqrt{\mathrm\pi\cdot D\cdot t}}\cdot e^{\left(-\frac{(x-\overline u\cdot t)^2}{4\cdot D\cdot t}\right)}$$

C(x,t) : t경과후 x지점 농도

V : 가스 확산체적(m3)

A : 갱도 단면적(m2)

u¯ : 평균 풍속(m/s)

D : 난류확산계수(m2/s)

x, t: 거리(m), 시간(초)

국내 광산을 대상으로 진행된 난류확산계수 연구는 이창우 등(1994)에서 처음 찾아볼 수 있으며 석회석광산을 대상으로 연구는 Kim et. al(2013), 이승호(2012), 김두영(2018) 등이 수행하였다. 이들 연구결과를 종합하면 대단면 석회석광산에서 추정된 계수의 범위는 0.01~3.4 m2/s이다. 모든 연구는 작업장 부근 500 m 길이 이내의 비교적 짧은 갱도를 대상으로 수행된 결과이며 채굴 작업공간내 물질확산을 예측 및 제어하기 위한 난류확산계수로 적용 가능한 연구결과이다. 그러나 본 연구에서는 통기계통내 입기점부터 배기점 부근까지 1912 m에 이르는 장대 갱도내 평균 난류확산계수의 추정분석을 함으로써 기류유동 전체공간내에서의 물질 확산 분석이 가능토록 하였다. 추정 결과는 Fig. 12에서 보는 바와 같이 각각 15 m2/s, 18 m2/s로 나타났다. 작업공간 부근 갱도내 난류확산계수에 비하여 상대적으로 크게 나타나며 이는 확산거리 1~5 km를 대상으로 난류확산계수를 추정한 Widodo et. al(2008)의 결과에도 잘 나타나 있다. Widodo et. al(2008)은 난류확산계수가 L/D(갱도길이/직경)에 비례함을 언급하고 있으며 Fig. 13의 연구결과에 L/D(갱도길이/직경)=205.5인 본 연구대상 갱도를 적용하면 추정되는 확산계수는 4~20 m2/s 범위가 된다. 추정한 범위는 본 연구에서 도출한 확산계수 15 m2/s, 18 m2/s를 포함하고 있다. 난류확산계수는 물질확산 및 이동의 정량적 분석이 가능하므로 통기에 의한 갱내 공기질 개선을 위한 공학적 방안 강구의 필수적인 변수가 된다(Lee and Nguyen, 2015).

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Fig. 13.

Relationship between turbulent diffusion coefficient and L/D based on Widodo et. al (2007)

4. 결 론

본 연구는 갱구로부터 150 m 심부화된 국내 석회석 광산에 최근 굴착된 110 m 길이 통기용 수갱에 설치된 67 KW용량의 주선풍기의 통기효과를 분석하기 위하여 갱내외 기압, 온도 및 확산가스 모니터링을 수행하고 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 2018년 10월 14부터 3일간 주선풍기 가동 전 자연통기 측정을 위하여 갱외 1개소의 기압 및 온도, 갱내 3개소의 온도, 풍속, 풍향을 실시간 모니터링하였다. 주선풍기 가동시간대를 제외하고 자연통기에 의한 통기가 이루어지고 있으며 통기방향은 수갱에서 갱구방향으로 그리고 통기량은 작지만 0~11.7 m3/s 정도이다. 자연통기가 두 공기주(air column)내의 공기밀도차이에 의한 현상이므로 수갱과 갱구로부터 수갱이 굴착된 4편까지의 rampway내부 평균온도의 차이와 자연통기량 사이의 상관관계는 상관계수 0.79인 다음 식으로 정량화할 수 있음을 보였다.

$$\mathrm{자연}통\mathrm{기량}(m^3/s)=0.0961\times(\mathrm{수갱내부}\;평\mathrm{균온도}-ramway\mathrm{내부}\;평\mathrm{균온도}){(^\circ}C)$$

2) 67 KW Serpent 선풍기를 배기방식으로 가동한 경우 수갱하부내 배기풍속은 0.45~0.55 m/s, 풍량 20.3~24.8 m3/s이다. 선풍기 운전점의 변동에 따른 통기량의 변화는 주선풍기의 공기밀도변화에 따른 선풍기 특성곡선 변동의 영향 보다는 차량 등 장비의 운행에 따른 광산 통기특성곡선의 상향이동에 따른 영향이 클 것으로 판단된다. 따라서 수갱 및 주선풍기의 통기효과를 제고하기 위하여서는 통기저항계수의 저감 노력이 요구된다.

3) 갱구로부터 수갱하부까지 총 길이 1912 m 갱도내에서의 난류확산계수는 15 m2/s, 18 m2/s로 나타났다. 비교적 큰 난류확산계수는 장대 갱도를 대상으로 한 기존 연구결과와도 일치한다. 따라서 입기갱구로부터 유입된 가스는 0.5 m/s 및 0.52 m/s 풍속으로 이동하는 기류보다 29분 및 26분 빨리 수갱하부에 도달하고 있다. 오염물질은 기류보다 상대적으로 빨리 확산되므로 공기질 제어를 위하여 반드시 신속한 배기가 요구되므로 배기수갱은 효율적 방안이 될 수 있다.

4) 본 연구대상 석회석 광산에 설치된 통기수갱은 자연통기 및 기계통기 모두에 큰 효과를 보였다. 그러나 수갱 하부에 개발되는 갱도에는 전혀 통기가 이루어지지 않음에 따라 국부 선풍기 및 통기승갱 등에 의한 통기방식의 적용이 요구된다. 따라서 통기 수갱의 적절한 계획, 굴착 및 운영은 급격히 대형화 및 심부화하고 있는 국내 석회석 광산의 통기문제를 해결할 수 있는 효과적 방안으로 기대가 된다.

Acknowledgements

본 연구는 산업통상자원부 한국에너지기술평가원의 “ICT/IoT 기반 광산용 스마트 통기시스템 개발 및 현장실증(과제번호: 20182510102380)” 의 연구비 지원을 통하여 수행되었습니다.

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