1. 서 론

현재 국내에서 석탄을 채광하는 광산은 5곳이 가행되고 있다. 이들 대부분은 심부에서 석탄 생산을 하고 있으며 채굴은 점차 심부로 진행되고 있다. 특히 우리나라의 탄층 부존상태는 탄폭의 변화가 심하고 상하반이 취약하며 경사가 급하게 매장되어 있어 이를 생산하기 위해 작업심도가 더욱 깊어지고 있어 갱내의 작업 환경 조건은 더욱 악화되고 있다. 광산의 심도가 깊어질수록 지열증가로 인한 작업환경의 악화와 이를 해결하기 위해 점점 더 복잡해지는 환기망, 지압증가로 인한 작업장의 유지 곤란 등의 문제가 발생하고 있다. 갱내 작업 환경 및 안전을 악화시킬 수 있는 작업장의 석탄 분진 및 온도 상승 문제는 가장 심각한 문제이며 이에 따라 심부 채탄 개발의 타당성 검토나 생산 계획을 수립할 때는 반드시 심부의 갱내 환기를 먼저 계획하는 것이 재난안전과 생산성 향상에 무엇보다 중요하다. 또한 더욱 안타까운 현실은 국내석탄이 가지고 있는 자원으로서의 한계성으로 인해 열악한 작업장 환경 개선을 위한 투자나 개선을 위한 연구들이 전무한 실정이다. 이에 본 연구에서는 국내에 남아 있는 5개 광산 석탄 분진의 특성을 조사하였으며, 특히 입도분포를 통한 미세먼지의 환기적 제어에 관한 연구를 시행하였다.

지하 탄광에 통풍(공기 흐름)에 흡착된 석탄먼지는 일반적으로 공기통로의 표면과 바닥에 쌓이게 되며 이것은 점점 증착된다(Hartman, 1982). 만약 갱내에서 메탄가스 폭발이 발생한다면, 이런 먼지는 탄광 대기에 재 흡착할 수 있고 석탄분진 폭발을 야기할 수도 있다. 이러한 갱내가스폭발은 치명적이며 근로자에게 지속적인 위험을 준다. 그리고 작업 공간에서 많은 먼지양은 높은 진폐증 발생비율을 야기한다(Mutmansky and Lee, 1984). 인체건강에 있어 먼지크기의 영향은 흡착된 먼지에 의한 폐의 손상으로 잘 이해할 수 있다. 비산 먼지에 포함된 입자들 중에 2 µm보다 작은 모든 입자와, 3.5 µm보다 작은 입자의 절반과, 10 µm이나 그 이상의 입자를 제외하고는 호흡기관인 폐에 들어갈 것이다(Sinha, 1982). 먼지 생성에 있어 거의 60% 이상이 직경 3 µm 이하라는 연구 보고가 발표되었다(Qin and Ramani, 1989). 이러한 입자는 폐에 축척되어 진폐증을 일으킬 수 있는 충분히 작은 크기이다(Mcpherson, 1993). 사망한 탄광 근로자의 진폐증 폐를 전자 현미경으로 시험하면, 거의 모든 경우 3 µm 이하의 축척된 석탄 먼지입자를 발견할 수 있고, 약 85%가 3 µm 이하 크기 범위였다. 이런 흡입될 수 있는 비산먼지는 폐의 공기저장기관에 누적될 수 있다. 비산 호흡탄광먼지에 장기간 노출된 근로자가 진폐증에 걸릴 수 있음을 많은 연구논문에서 알 수 있었다(McPherson, 1993).

사람이 흡입한 분진 중에서 입자의 크기가 큰 것과 아주 작은 것은 몸의 움직임에 따라 다시 몸 밖으로 배출되나, 입자의 크기가 0.25∼5 µm정도의 것은 사람의 폐 중에 침착되기 쉽고 침착된 양이 많아지면 점차적으로 폐의 기능을 약화시켜 진폐로 진행하게 된다. 또한 분진에 노출되면 호흡기 질환, 피부장애, 알레르기, 눈 점막의 질환, 심지어 암을 유발하기도 한다. 따라서 분진은 유독한 물질을 포함하지 않았다고 하더라고 결코 무해하지 않으며 신체에 이상을 초래 할 수 있다.

10 µm 이상의 분진들은 유동공기의 속도가 크지 않아도 공기 내에 장기간 부유 상태로 잔존하며, 특히 병리학적으로 신체에 영향을 미치는 분진 입자들은 10 µm 이하의 입경을 가진다. 일반적으로 호흡성 분진은 5 µm 이하의 분진으로 분류되며, 폐 내의 가스 교환부위에 침적되어 유해한 분진은 3.5±0.3 µm인 입경분리 채집효율을 갖는 입자이다. 무엇보다도 탄광 내에서 석탄 분진의 흡입에 의한 진폐증 발병이 호흡성 분진에 대한 높은 관심도를 일으키는 원인이다. 따라서 분진 사업장에서 부유분진의 입도분포 및 공기 중에 부유하고 있는 분진 중 호흡성 분진의 크기에 해당하는 입경이 차지하는 비율이 어느 정도인가를 파악하는 것은 진폐 예방 측면에서 공학적 개선방안을 강구하는데 중요하다.

본 연구에서는 5개광업소에서 채취한 석탄광 분진의 풍속에 의한 유동을 알아보기 위해 풍동을 제작하여 풍속에 대한 석탄광 분진의 낙진을 측정하였으며, 낙진된 석탄분진의 입도분석을 시행하였다.

또한, 실제 미세먼지가 다량으로 발생하는 채준 작업장에서 환기되는 풍속에 따라 공기 중에 부유하는 미세먼지를 앤더슨 멀티스테이지 샘플러(Anderson multi-stage sampler)를 이용하여 석탄광 분진을 측정하였다. 갱내의 분진을 제어할 수 있는 풍속을 기준으로 환기량 모의실험을 실시하였다. 또한 주선풍기의 과 설계를 방지하기 위해 A광업소의 자연환기력을 계산하였다.

2. 국내 석탄광 분진의 특성

본 연구에 사용할 석탄광 분진시료는 국내에서 현재 가행하고 있는 5개 광업소 모두에서 채취하였다.

2.1 석탄광 분진시료 채취

석탄광 분진시료는 대한석탄공사와 ㈜태백광업, ㈜경동에 요청하여 대한석탄공사 산하 가행중인 3개광업소 중 도계광업소, 화순광업소의 석탄 분진시료는 광산보안상의 이유로 우편으로 수령, 장성광업소는 직접 방문하여 시료를 채취하였다. ㈜태백광업도 보안상의 이유로 우편 수령하였고, 경동 상덕광업소는 방문하여 직접 시료를 채취하였다. 국내 가행중인 모든 석탄광 분진시료에 대해 시험하였으며 시료의 명칭은 각 광업소의 보안요청에 따라 NO.1∼NO.5로 하였다.

2.2 석탄광 분진의 밀도

문헌에 조사된 통상적인 분진의 특성은 대기 중에 존재하는 분진의 크기가 일반적으로 0.001∼500 µm정도이나 대략 0.25∼5 µm보다 작은 미세입자와 그 이상의 거대입자로 구분된다. 이들 입자상물질 중 대기흐름에 따라 운동하는 분진의 크기는 1∼20 µm, 장기간에 걸쳐 부유하는 입자상물질의 크기가 10 µm 이하인 반면 20 µm 이상의 분진은 침전속도가 빨라 대기 중 체류시간이 짧은 것으로 나타났으며, 특히 인체에 가장 유해한 호흡성 분진은 통상적으로 0.5∼5 µm사이로 파악되었다.

2.2.1 밀도 측정 방법

이미 알려져 있는 석탄분진의 밀도는 그 상태가 순수 물질 상태인 조건에서 측정되었다. 하지만 광산 작업장에서 이뤄지는 선탄작업은 순수한 석탄원광을 대상으로 작업하는 것이 아니라 순도가 일정하지 않은 상태의 석탄을 대상으로 작업이 진행된다. 따라서 광산 작업장의 날림먼지의 특성을 분석하는데 문헌상의 밀도를 사용함에는 어려움이 있다고 판단하여 광업소별로 현장에서 채취한 석탄에 대한 밀도실험을 수행하였다. 석탄분진의 비중은 1.78로 알려져 있다.

시료는 석탄광산의 경우 집진시설에서 직접 또는 광업소의 지원을 받아 채취하였는데 그 이유는 집진시설에서 많은 먼지날림 현상이 발생되고 있기 때문이다.

문헌에 조사된 석탄의 밀도는 순수 물질 상태의 조건임으로 실제 광산 작업장의 날림먼지 특성 파악에 적용하기 어렵다고 판단하여 광산 작업장에서 채집한 실제 시료를 4회에 걸쳐 반복하여 밀도를 측정하였다.

또한 광산 작업장에서 발생하는 먼지날림을 처리하는 집진기에 소요되는 반송에너지의 적합성을 판단하기 위해 집진기에서 채집한 시료를 전문 측정기기를 통해 입도분석을 하였다.

본 밀도실험은 KS F 2308에 의거하여 실시하였으며, 실험 기구는 25 mL, 50 mL 게이뤼삭형 비중병을 사용하였으며 실험실 온도 14°C, 상대습도 34% 환경에서 수행되었다.

2.2.2 밀도 측정 결과

광업소별 밀도실험결과 국내 석탄의 밀도는 2.0093∼2.3879 g/cm³ 였으며, NO.1광업소의 석탄분진의 경우 2.1217 g/cm³, NO.2 광업소의 석탄분진의 경우 2.1282 g/cm³, NO.3광업소의 석탄분진의 경우 2.3795 g/cm³, NO.4 광업소의 석탄분진의 경우 2.1986 g/cm³, NO.5 광업소의 석탄분진의 경우 2.0278 g/cm³로 측정되었다. 측정결과는 Table 1에 나타내었다.

2.3 석탄광 분진의 성분 특성

석탄광 분진시료를 채취하고 EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)분석을 통한 시료의 물성분석과, PSA (Particle Size Analysis)분석을 통한 시료의 입도분포 분석을 하였다. 또한 시료 입자의 표면 상태를 확인하기 위해 SEM (Scanning Electronic Microscopy)분석을 실시하였다.

2.3.1 석탄광 분진의 물성실험

갱내의 비산 분진을 억제하기 위해서는 채취된 석탄광 분진 시료의 물성조사가 필수적이다. 분진이 소수성 표면을 가지고 있으면 액적 표면에서 부착이 되지 못하는 현상(bounce off)이 발생되고 집진 효율이 크게 감소하게 된다. 물성조사 자료를 바탕으로 분진의 특성을 파악하여 최적의 분진 제거와 경제적 측면을 고려한 최적의 분진 제어 장치를 결정할 수 있게 된다.

본 연구에서 사용한 EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)장비는 에너지분산형 엑스선분석기로 정성분석이 가능한 장비로 주로 전자현미경(TEM, SEM 등)에 같이 부착시켜 사용한다. 재료의 표면에 전자현미경의 타겟에서 발생된 전자(incident beam)가 충돌하게 되면 재료는 표면에서 그 재료의 특성을 갖는 여러 종류의 전자, 이온 및 특성X선 등이 방출하게 된다. 이때, EDS 장치는 방출된 특성 X선만을 따로 찾아 빔의 에너지대별로 화면에 표시하게 된다. 이 특성X선의 에너지의 세기는 물질이 갖는 고유한 값이며, 이 에너지의 값은 사전에 입력되어진 물질마다의 특정값과 대조하여 최적으로 일치하는 물질을 유추해내는 원리를 가진 장비이다. 석탄광 분진 시료의 물성실험에 관한 결과는 Fig. 1과 같다. X축은 빔의 에너지, Y축은 빔의 세기를 나타낸다.

5개의 석탄광 분진 시료는 거의 차이가 없이 일정한 성분을 나타내었다. 탄소가 약 87%, 산소 약7%, 알루미늄 약1%, 규소 약1% 로서 대부분의 성분이 탄소로 이루어져 있음을 알 수 있다. 그 이외 소량으로 칼륨, 철, 마그네슘이 함유되어 있었다. 그리고 석탄광분진 회재를 XRF ZSX100e 장비를 사용하여 정량분석(Quantitative Analysis)을 실시하였다. 정량분석(Quantitative Analysis)을 실시하였다. 그 결과 규소(43.7∼52.1%)와 알루미늄(21.0∼27.3%)이 대부분이었으며, 그 외 철, 칼륨 등의 원소로 이루어졌음을 알 수 있었다(Fig. 2).

2.3.2 석탄광 분진시료의 입도분포 분석

본 연구에 사용된 주사전자현미경 SEM의 원리는 전자빔과 시료표면의 상호작용으로 Secondary electrons, back scattered electrons, characteristic X-ray, auger electrons과 여러 에너지를 가진 Photon들을 생성한다. SEM은 분석용 현미경이기보다는 주로 시편 표면에서 방출되는 2차 전자를 이용한 미세구조의 영상 구현을 위한 장비로 알려져 왔다. 이에 본 연구에서는 후방 산란 전자의 회절 패턴을 분석하여 시편 내 결정립의 방위를 분석하는 방법으로 정량, 정성적으로 원소분석이 가능한 EBSD (Electron Back scattered Diffraction Pattern)기술을 사용하는 SM-5410 모델로 석탄광 분진 입자를 촬영하였다.

SEM 분석 전 분진시료 일부를 슬라이드글라스에 채집시킨 후, 은으로 코팅을 하고 건조시키는 전처리를 하였다. 위의 그림은 석탄 분진 입자의 표면형상을 보여주고 있는데 NO.1∼NO.5의 5개 광업소의 100배율, 1,000배율, 10,000배율로 확대한 입자의 표면 사진이다. 상당히 다양한 크기를 보이고 있는데 이는 석탄 분진 표면이 매우 불규칙적이며 엉김상태가 매우 심하기 때문이다(Fig. 3). 이와 같이 본 연구에 사용된 석탄 시료의 불규칙적인 엉김현상으로 인해 SEM을 이용해서는 정확한 입도분포를 분석하기 어려워 Analysette-22 NanoTec 기기를 이용해 PSA (Particle Size Analysis)분석을 실시하였다.

No.1광업소에서 채취된 시료의 입도분석결과 석탄입자의 크기는 4.434∼93.364 µm 범위에 약 80% 분포를 나타내고 있으며, 입자의 누적 개수가 10%되는 지점에서의 입도크기는 5.605 µm, 50%에서는 39.974 µm, 90%에서는 88.614 µm의 결과를 나타내었다(Fig. 4).

No.2광업소에서 채취된 시료의 입도분석결과 석탄입자의 크기는 1.606∼26.228 µm 범위에 90% 분포를 나타내고 있으며, 입자의 누적 개수가 10%되는 지점에서의 입도크기는 1.673 µm, 50%에서는 9.392 µm, 90%에서는 26.315 µm의 결과를 나타내었다.

No.3광업소에서 채취된 시료의 입도분석결과 석탄입자의 크기는 1.606∼33.810 µm 범위에 약 80% 분포를 나타내고 있으며, 입자의 누적 개수가 10%되는 지점에서의 입도크기는 1.699 µm, 50%에서는 9.135 µm, 90%에서는 31.312 µm의 결과를 나타내었다.

No.4광업소에서 채취된 시료의 입도분석결과 석탄입자의 크기는 1.246∼26.228 µm 범위에 약 80% 분포를 나타내고 있으며, 입자의 누적 개수가 10%되는 지점에서의 입도크기는 1.549 µm, 50%에서는 10.102 µm, 90%에서는 29.674 µm의 결과를 나타내었다.

No.5광업소에서 채취된 시료의 입도분석결과 석탄입자의 크기는 2.688∼43.585 µm 범위에 약80% 분포를 나타내고 있으며, 입자의 누적 개수가 10%되는 지점에서의 입도크기는 2.298 µm, 50%에서는 18.300 µm, 90%에서는 40.962 µm의 결과를 나타내었다.

PSA 분석 결과, 본 연구에 사용된 석탄광 분진 시료 대부분 입자의 크기는 0.007∼88.614 µm 범위에 분포하였다(Table 2).

진폐증을 유발시킬 수 있는 3.5 µm 이하의 입자가 NO.1광업소 채취시료입자의 7.9% (PM2.5:4.7%, PM10:15.3%), NO.2광업소 채취시료입자의 18.718% (PM2.5 : 1.3%, PM10 : 53%), NO.3광업소 채취시료입자의 22.839% (PM2.5 : 16.5%, PM10 : 54%), NO.4광업소 채취시료입자의 20.15% (PM2.5 : 16.4%, PM10 : 52%), NO.5광업소 채취시료입자의 11.179% (PM2.5 : 10.9%, PM10 : 24%)로 나타나 작업장에서 채취한 분진시료의 평균 16.16%가 진폐증을 유발시킬 수 있는 3.5 µm 이하의 입자로 이러한 미세먼지가 광산 내 상당부분 존재하는 것으로 확인되었고, 이로 인해 광산 내 근로자들의 건강에 큰 영향을 주고 특히 진폐증 유발에 직접적인 원인이 될 수 있다.

3. 석탄 분진 풍동 실험

풍동이란 공기가 흐르는 현상이나 공기의 흐름이 물체에 미치는 힘 또는 흐름 속에 있는 물체의 운동 등을 조사하기 위해 인공적으로 공기가 흐르도록 만든 장치이다. 풍동실험은 실제공기를 이용하고 기하학적 및 운동학적 상사에 의해 측정대상지역을 풍동 내에 지현시키고 실험하기 때문에 많은 비용과 시간을 투입하지 않고도 실측조사에 상응하는 정확하고 상세한 측정치를 얻을 수 있다.

또한, 풍향과 풍속 등의 유동조건을 제어할 수 있으므로 실험결과 얻어진 상세한 측정치들은 다양한 토양 및 대기 특성 하에서의 석탄광입자의 부유가능성에 관한 정량적 모델을 도출하기 위한 목적으로 효과적으로 이용될 수 있다.

풍속과 석탄광 분진과의 관계를 규명하기 위해 풍동을 제작하였다(Fig. 5).

풍동의 전체길이는 513 cm이며 풍동은 50 cm × 50 cm의 규격으로 제작되었다. 풍동장치내의 층류를 유도하기 위하여 층류유도 필터를 삽입하였으며, 석탄광 분진의 규칙적인 삽입을 위해 feeding 장치를 부착하였다. 또한 풍동장치에 부착된 팬은 최대풍량은 25 m³/min이며, 최대정압은 28 mmAq이다. 풍속과 석탄 분진의 투입 속도의 조정은 제어판을 이용해서 하였다(Fig. 6).

3.1 풍동 공기속도 측정

풍동 실험을 하기 위해 선풍기의 풍속 조절 장치인 RPM에 따른 풍속을 측정하였다. 200 RPM씩 증가시키면서, 풍속을 측정하였으며, 이를 위하여 풍동의 출구 쪽을 9개로 나누어 측정하여 평균값을 구하였다. 또한 정확한 측정을 위하여 Hot wire 측정기와 Vane 형 측정기를 이용하여 각각 10회씩 측정하여 평균값을 사용하였다. 그 결과 200 RPM일 때 0.05 m/s, 1,000 RPM일 때 1.05 m/s, 1,800 RPM 일 때 1.5 m/s의 속도로 측정되었다.

3.2 석탄광 분진 풍동 실험

풍동을 이용하여 공기 속도와 분진과의 관계를 규명하기 위하여 실험하였다. 풍동의 공기속도는 400, 800, 1,400, 1,800 RPM일 때 각각의 시료 300 g을 투입하여 풍동내의 거리에 따른 낙진의 양을 측정하였으며, 또한 낙진된 석탄광 분진시료의 입도분포를 측정하였다.

실험 결과에 따르면 풍속이 느릴수록 낙진되는 석탄광분진이 많아지는 것을 알 수 있었다. 석탄 분진이 갱내에 쌓이게 되면, 작업 중이거나 이동 중이거나 부유할 수 있는 석탄 분진이 많아지게 된다. 앞에서 설명한 총 부유분진은 통상적으로 50 µm 이하의 모든 부유 먼지를 말하며, 주변의 유동에 의해서 언제든 부유하여 인체의 해로운 영향을 끼칠 수 있다.

Fig. 7 그래프에서 보는 것처럼 각 광업소의 분진은 풍속이 빠를수록 더 많이 이동하게 된다. 대략 풍동의 중간 지점(4구간)에서는 낙진 되는 양이 수렴하게 되는 것을 볼 수 있으며, 실험 결과 풍속이 0.3 m/s (400 RPM)일 때 300 g의 석탄분진 중 23 g (약 8%)를 제거 하였으며, 0.8 m/s (800 RPM)일 때 300 g의 석탄분진 중 41 g (약 14%)를 제거 하였으며, 1.3 m/s (1,400 RPM)일 때 300 g의 석탄분진 중 98 g (약 32%)를 제거 하였으며, 1.5 m/s (1,800 RPM)일 때 300 g의 석탄분진 중 99 g (약 33%)를 제거 하였다. 풍동 실험에서는 1.3 m/s 이상의 풍속이면 석탄 분진의 3분의 1이상을 제거하는 것을 알 수 있다.

4. 갱내 분진 측정

갱내에서는 석탄생산을 위해서 탐탄, 시추, 채준, 운반 등 여러 가지 작업들을 하고 있다. 갱내 작업중 가장 분진이 많이 발생하고 있는 채준 작업과 케이빙 작업시의 분진 농도 측정 및 입도 분포 측정을 실시하였다. 입경별 분진 채취를 위해 앤더슨 멀티스테이지 샘플러(Anderson multi stage sampler)를 사용하였다. 분진측정은 환경보전법에서 규정하는 환경기준 설정 항목 및 기타 대기 중의 오염물질에 관한 시험 및 분석법에 준하여 시행하였다.

4.1 배기전 분진측정

갱내 작업장에서의 분진 측정 실험은 Anderson multi-stage sampler를 갱내 작업 중 분진이 많이 발생하는 채준 작업장에 설치하여 국부 선풍기 없이 실제 작업시의 발생하는 석탄 분진을 일정 시간동안 측정하였다(Fig. 8). 그 이후 sampler를 제거 하고 각 stage의 filter 무게를 측정하여 분진의 입경별 평균 채집농도를 산출하였다. 채준 작업 시 측정하였으며 측정시간은 30분간 측정하였다. 기기의 설치장소는 채준 작업 시 분진이 가장 많이 발생하는 발파 선단에서 후방 5 m 지점에 설치하였다. 측정 자료는 Table 3와 같다.

채준 작업 시 Fig. 9 그래프에서 보듯이 분진의 크기가 9.0∼10.0 µm 인 분진이 전체에 34%를 차지하고 있으며, 3.5 µm 이하의 미세한 분진도 전체에 약 35%가량 존재하는 것을 알 수 있었다.

4.2 0.5 m/sec 풍속으로 1시간 배기 후 분진측정

Table 4는 채준 작업 시, 0.5 m/s의 풍속으로 1시간 배기 시킨 후, 30분간 측정한 자료이다. 설치장소는 채준 작업 시 분진이 가장 많이 발생하는 발파 선단 후방 5 m에서 측정하였다.

Fig. 10에서 보듯이 분진의 크기가 9.0∼10.0 µm 인 분진이 전체에 32%를 차지하고 있으며, 3.5 µm 이하의 미세한 분진도 전체에 약 35%가량 존재하는 것을 알 수 있었다. 국부선풍기 없이 작업할 때와 비교할 때 입경별 분진 분포를 비슷한 양상을 나타내었다. 그러나 분진의 총량은 115 mg에서 17 mg으로 대폭 감소하였다.

4.3 1.0 m/sec 풍속으로 1시간 배기 후 분진측정

채준 작업 시, 1.0 m/s의 풍속으로 1시간 배기 시킨 후, 30분간 측정하였으며, 설치장소는 채준 작업 시 분진이 가장 많이 발생하는 발파 선단 후방 5 m에서 측정하였다.

실험 결과 분진의 크기가 9.0∼10.0 µm 인 분진이 전체에 39%를 차지하고 있으며, 3.5 µm 이하의 미세한 분진도 전체에 약 20.9%가량 존재하는 것을 알 수 있었다. 0.5 m/s의 풍속으로 1시간 배기 시킨 후와 비교할 때 입경별 분진 분포양상이 3.5 µm 이하의 미세분진이 감소하였으며, 분진의 전체 총량도 17 mg에서 11.74 mg으로 줄어든 것을 확인할 수 있었다.

4.4 1.5 m/sec 풍속으로 1시간 배기 후 분진측정

채준 작업 시, 1.5 m/s의 풍속으로 1시간 배기 시킨 후, 30분간 측정하였으며, 설치장소는 채준 작업 시 분진이 가장 많이 발생하는 발파 선단 후방 5 m에서 측정하였다.

분진의 크기가 9.0∼10.0 µm 인 분진이 전체에 39%를 차지하고 있으며, 3.5 µm 이하의 미세한 분진도 전체에 약 20.8%가량 존재하는 것을 알 수 있었다. 0.5 m/s의 풍속으로 1시간 배기 시킨 후와 비교할 때 입경별 분진 분포양상이 3.5 µm 이하의 미세분진이 감소하였으며, 분진의 전체 총량도 11.74 mg에서 11.62 mg으로 작은 양이 줄어든 것을 확인할 수 있었다.

갱내에서 풍속과 낙진과의 관계를 살펴보면 풍속이 1 m/s 이상일 때의 3.5 µm 이하의 미세분진의 감소량은 미미 하였으며, 이 결과에 따라 갱내에서의 분진제어를 위한 풍속은 1.0 m/s로 보는 것이 타당하다.

5. A광업소 자연환기력 계산

실제로 지하공간내에 작용하는 자연환기력을 측정하기는 쉽지 않다. 각 구간의 온도와 압력을 측정하여 열이 계에 한일을 구함으로써 자연환기력을 계산할 수 있다. 위 Fig. 11에서 갱도 내부구간(2지점과 3지점사이)에 열원이 존재할 경우의 자연환기력은 두 지역간의 온도차이가 있으면 밀도차()에 의해 열 전달이 발생하고 이에 따라 자연환기력의 변화가 발생한다(Lee et al., 2009).

갱도에서의 1, 2구간에서의 기본 식은 다음과 같다.

- The Down (Up) cast Shaft

Cp(t₂-t₁)=g(Z₁-Z₂) (1)

 (2)

여기서 광상에서의 열량은 다음과 같다.

 (3)

1∼2구간(입구에서 갱내구간), 2∼3구간(갱도내 수평구간), 3∼4구간(갱내에서 배기구간)의 압력과 부피는 Fig. 12와 같다.

A광업소의 환기네트워크를 보면 4개의 주배기 선풍기와 2수갱에서 배기가 이루어지고 있으며, 1수갱과 A-1a사갱으로부터 입기가 되고 있다. 전반적인 상황을 검토해봤을 때 2수갱의 배기는 인위적인 국부선풍기의 영향도 있지만, 자연환기력의 영향이 크게 작용할 것으로 예측된다. 이에 따라서 모델링의 정확성을 향상시키기 위하여 2수갱에 작용하는 자연환기력을 계산하여 모델링에 적용하였다. A광업소의 고도 및 온도의 측정은 입기갱은 고도 647 ML이었으며, 온도는 영하 1.5°C로 측정되었고, 배기갱에서의 공기온도는 약 10.4°C였다.

자연환기력을 현장에서 쉽게 도출하기 위한 식들이 많이 개발 되어 있고 또한 개선되어 왔다. 자연환기를 발생시키는 자연환기 압력차는 정수압적인 방법(hydrostatic method)으로 계산되어 지고 이는 공기주(air column)의 높이에 대한 밀도 차를 계산함으로 그 크기를 알 수 있다. 위의 측정자료 들을 Table 5과 같이 정리하였다.

위의 자료들을 사용하여 열역학적인 방법을 사용하여 단계별로 계산하였다.

1단계 : 1지점에서의 압력과 부피계산

2단계 : 열용량과 위치 Potential을 이용하여 2지점에서의 압력과 부피계산

3단계 : 3지점에서의 압력과 부피계산

4단계 : 열용량과 위치 Potential을 이용하여 4지점에서의 압력과 부피계산

5단계 : 4지점과 4‘지점을 비교 계산하여 자연환기력 계산

겨울철 A광업소의 제1수갱으로 입기를 하며 제 2수갱으로 배기를 할 때의 계산 결과 243.2 Pa이다. 이 값은 VnetPC 프로그램에 입력될 때 고려되어질 것이다. VnetPC 환기해석 프로그램은 미국 MVS (Mine Ventilation Service)에서 개발한 광산 환기 네트워크 해석프로그램으로서 Hardy-Cross법을 사용하는 프로그램이다(Kim et al., 2016). A광업소는 U자형태의 광산이므로 외부 기온이 올라갈수록 자연환기력은 줄어들고 따라서 겨울철 계산된 값을 최대값으로 볼 수 있고 계절의 변화에 따라 이 값을 더 줄어들 것이다.

6. 환기 시뮬레이션

광업소의 현행 환기 네트워크가 실측한 결과와 90% 이상의 신뢰도를 보이는 네트워크를 이용하여 환기량 모의실험을 실시하였다.

모의실험은 첫번째로 자연환기력을 고려하지 않은 주선풍기의 용량과 두 번째로 자연환기력을 고려한 주선풍기 용량에 관한 시뮬레이션을 하였다. A광업소의 환기량 모의실험을 하기 위한 조건으로 풍동 실험과 현장 분진 측정 실험에서 얻은 결과로 분진 제어를 하기 위한 작업장 환기 속도를 1 m/s로 하였으며, 현행의 주선풍기에서 입기량을 고정을 하였다. 입기량을 고정한 이유는 실제로 현재 가동되고 있는 주선풍기에 의해 입기되는 용량이 16,485 m³/sec으로 계산된 소요환기량과의 차이가 크지 않기 때문이다.

첫번째로 자연환기력을 고려하지 않은 실험에서는 각 주선풍기의 풍압(Table 6)은 다음과 같은 결과가 산출되었다. 참고로 현행 주선풍기의 용량은 위의 표와 같다.

- A-1생산부: 520 mmAq A-2생산부 : 705 mmAq

- A-3생산부: 445 mmAq A-4생산부 : 319 mmAq

4대의 주선풍기의 총압력은 1,989 mmAq로 계산 되었으며, 현행의 주선풍기의 총압력은 1,235 mmAq로 실험 결과와 비교해 보았을 경우 754 mmAq의 압력이 부족한 것으로 나타났다.

두번째로 자연환기력을 고려한 환기 네트워크 모의 실험에서는 각 주선풍기의 풍압은 다음과 같은 결과가 산출되었다(Table 7).

- A-1생산부: 511 mmAq A-2생산부 : 695 mmAq

- A-3생산부: 441 mmAq A-4생산부 : 313 mmAq

4대의 주선풍기의 총압력은 1,960 mmAq로 계산 되었으며, 현행의 주선풍기의 총압력은 1,235 mmAq로 실험 결과와 비교해 보았을 경우 725 mmAq의 압력이 부족한 것으로 나타났다.

또한 자연환기력을 고려하지 않은 경우가 고려한 경우보다 선풍기 총 압력이 29 mmAq (284.4 Pa)이 과다한 것으로 나타났으며, 이것은 환기 설계에 있어 과설비로 이어지게 된다.

VnetPC를 이용한 환기량 시뮬레이션에 있어, 중요한 것은 첫 번째로 현행 환기 네트워크의 모델링이다. 이 작업을 기초로 하여 모의실험을 하는 것이기 때문에 가능한 실제의 상황과 일치하도록 환기량과 회로의 보정작업이 이루어져야 한다. 본 연구에서도 환기 네트워크 보정작업만 수개월의 시간이 소요되었다. 두 번째로는 환기 설계시의 기준이다. 여기서는 석탄분진의 제어를 위한 1 m/sec 환기 속도를 기준으로 하였다. 세 번째는 흔히 터널이나 지하철 등에서 발생하는 과다설계에 의한 과다설비의 사전 방지이다. 과 설비의 방지 혹은 적정한 설비의 선택을 위해서는 반드시 자연환기력에 대한 고려를 해야 한다. 본 연구 대상의 광산은 심도가 1,000 m가 넘기 때문에 상대적으로 자연환기력이 차지하는 비율이 작지만, 일반적으로 심도가 낮을수록 자연환기력에 대한 비중은 커지게 된다.

7. 결 론

본 연구는 국내에서 석탄을 채광하는 작업장의 석탄 분진을 환기에 의해 제어하기 위해 시작되었으며, 이를 위하여 현재 국내에서 가행하는 5개 광산의 석탄분진의 시료를 채취하여 석탄 분진의 물리적 특성인 밀도와 원소분석, 입도 분석을 측정하였다. 또한 채취한 석탄분진을 풍속에 의한 유동을 알아보기 위해 풍동을 제작하여 풍속에 대한 석탄 분진의 낙진을 측정하였으며, 이를 토대로 실제 작업장에서의 석탄 분진을 풍속에 따라 측정하였다. 진폐증을 유발할 수 있는 3.5 µm의 석탄 분진을 제어하는 풍속을 산정하고, 산정된 풍속이 모든 갱내에 흐를 수 있는 주선풍기의 용량을 찾아내기 위해 VnetPC 프로그램을 이용하여 시뮬레이션 하였으며, 주선풍기의 과 설계를 방지하기 위해 자연환기력을 고려하였다. 본 연구를 통하여 얻어낸 결론은 다음과 같다.

1.광업소별 밀도실험은 KS F 2308에 의거하여 4회 반복하여 측정하였으며 각각의 결과를 산술평균하여 광업소별 밀도를 산출하였다. 그 결과 NO.1광업소의 석탄분진의 경우 2.1217 g/cm³, NO.2광업소의 석탄분진의 경우 2.1282 g/cm³, NO.3광업소의 석탄분진의 경우 2.3795 g/cm³, NO.4광업소의 석탄분진의 경우 2.1986 g/cm³, NO.5광업소의 석탄분진의 경우 2.0278 g/cm³으로 측정되었다.

2.EDX 분석 결과 석탄 분진 시료는 탄소가 약 87.8%, 산소 약 7.1%, 알루미늄 약 1.4%, 규소 약 1.7%로서 대부분의 성분이 탄소로 이루어져 있음을 알 수 있었다. 그 이외 소량으로 칼륨, 철, 마그네슘이 함유되어 있었으며 SEM 분석결과 약 0.4∼50 µm의 분포로서 상당히 다양한 크기의 입자들로 구성되어 있었다. 이는 석탄 분진 표면이 매우 불규칙적이며 엉김상태가 매우 심하기 때문이라 판단된다. 100배율, 1,000배율, 10,000배율로 확대한 입자의 표면 상태를 살펴보았을 때 모두 엉김상태가 심한 입자는 최대 약 25 µm 크기를 보이며, 엉김이 적은 입자들의 분포는 0.4∼10 µm 분포를 나타내었다.

3.PSA 분석 결과, 본 연구에 사용된 석탄 분진 시료의 입자의 크기는 0.007∼88.614 µm 범위에 분포하였다. 진폐증을 유발시킬 수 있는 3.5 µm 이하의 입자가 NO.1광업소 채취시료입자의 7.9% (PM2.5 : 4.7%, PM10 : 15.3%), NO.2광업소 채취시료입자의 18.7% (PM2.5 : 1.3%, PM10 : 53%), NO.3광업소 채취시료입자의 22.8% (PM2.5 : 16.5%, PM10 : 54%), NO.4광업소 채취시료입자의 20.2% (PM2.5 : 16.4%, PM10 : 52%), NO.5광업소 채취시료입자의 11.2% (PM2.5 : 10.9%, PM10 : 24%)로 나타나 작업장에서 채취한 분진시료의 평균 16.16%가 진폐증을 유발시킬 수 있는 3.5 µm 이하의 입자로 광산 내 상당부분 존재하는 것으로 확인되었고, 이로 인해 광산 내 근로자들의 건강에 큰 영향을 주고 특히 진폐증 유발에 직접적인 원인이 될 수 있다.

4.풍동 실험 결과 풍속이 0.3 m/s (400 RPM)일 때 300 g의 석탄분진 중 23 g (약 8%)를 제거 하였으며, 0.8 m/s (800 RPM)일 때 300 g의 석탄분진 중 41 g (약 14%)를 제거 하였으며, 1.3 m/s (1,400 RPM)일 때 300 g의 석탄분진 중 98 g (약 32%)를 제거 하였으며, 1.5 m/s (1,800 RPM)일 때 300 g의 석탄분진 중 99 g (약 33%)를 제거 하였다. 풍동 실험에서는 1.3 m/s 이상의 풍속이면 석탄 분진의 3분의 1이상을 제거하는 것을 알 수 있었다.

5.갱내에서 채준 작업 시 분진이 가장 많이 발생하는 발파 선단 전방 5 m에서 1.0 m/s의 풍속으로 1시간 배기 시킨 후, 30분간 분진을 측정하면 분진의 크기가 9.0∼10.0 µm 인 분진이 전체에 39%를 차지하고 있으며, 3.5 µm 이하의 미세한 분진도 전체에 약 20.9% 가량 존재하는 것을 알 수 있었다. 같은 조건으로 0.5 m/s의 풍속일 때의 측정자료와 비교하면 입경별 분진 분포양상이 3.5 µm 이하의 미세분진이 크게 감소하였으며, 분진의 전체 총량도 17 mg에서 11.74 mg으로 줄어든 것을 확인할 수 있었고, 갱내에서 풍속과 낙진과의 관계를 살펴보면 풍속이 1 m/s 이상일 때 3.5 µm 이하의 미세분진의 감소량은 미미 하였으므로 갱내에서의 분진제어를 위한 풍속은 1.0 m/s로 보는 것이 타당하다. 이는 풍동실험에서 얻은 결과와 현장에서의 풍속이 일치함을 보여준다.

6.A광업소의 자연환기력을 열역학적 방법(Thermodynamic Method)을 사용하여 계산하였을 때 243.2 Pa (24.8 mmAq)이다.

7.VnetPC를 이용하여 자연환기력을 고려하지 않은 실험에서는 4대의 주선풍기의 총 압력은 1,989 mmAq로 계산 되었으며, 현행의 주선풍기의 총압력은 1,235 mmAq로 실험 결과와 비교해 보았을 경우 754 mmAq의 압력이 부족한 것으로 나타났고 자연환기력을 고려한 환기 네트워크 모의실험에서는 주선풍기의 총압력은 1,960 mmAq로 계산 되었다. 자연환기력을 고려하지 않은 경우가 고려한 경우보다 선풍기 총 압력이 29 mmAq (284.4 Pa)이 과다한 것으로 나타났으며, 이것은 환기 설계에 있어 과 설비로 이어질 수 있다.