국내 EGS 지열발전을 위한

수리자극 효율 극대화

기초연구

2013. 9

본 분석물은 미래창조과학부 과학기술진흥기금과

복권기금을 지원받아 작성되었습니다.

머 리 말

지열에너지는 태양광이나 풍력에 비하여 기상 조건 등의 영향을

받지 않고 연중 24시간 생산 가능한 신재생 에너지 자원이다. 화산

성 고온 지열지역이 아닌 우리나라에서도 심도 5 km에서 기대되는

최대 온도는 약 180℃ 내외로서 최근 선진국에서 개발 중인 인공 지

열 저류층 생성 기술(EGS)을 통한 상업적 지열발전이 가능하여 이

에 관한 연구가 수행 중에 있다. 인공지열 저류층 생성기술(EGS)은

발전을 위한 심부 지열온도는 존재하지만 유체가 없거나 투수율이

낮아 발전에 필요한 만큼의 압력을 가진 지열수 저류층이 부존하지

않을 경우에 땅속 깊이 시추공을 굴착하여 강한 수압으로 암반을 파

쇄 시켜 인공적으로 지열 저류층을 생성시키고, 이를 통과하면서 열

교환되어 온도가 높아진 증기를 또 다른 시추공을 통해 끌어올려 발

전에 이용하는 방식이다. 인공 저류층 형성을 위한 수리자극 에서는

지층내의 단층 등에서 발생하는 미소지진에 의한 지반진동의 피해가

발생할 수 있다. 이 연구에서는 EGS 지열발전의 국내외 기술 및

연구동향을 심층 분석하고 지열 저류층을 생성하기 위한 수리자

극에 따른 지반진동이 지상구조물에 미치는 영향에 대하여 분석

하여 그 안전관리 방안을 제시 하였다.

이 보고서는 「ReSeat 프로그램 사업」의 일환으로 저희 한국과학

기술정보연구원 ReSeat 프로그램에 참여하신 이정인 전문연구위원이

작성한 것으로, 필자의 노고에 감사드립니다. 아울러 본고의 내용은

필자의 사견일 뿐 저희 연구원의 공식견해가 아님을 밝혀둡니다.

2013년 10월

한국과학기술정보연구원

원 장 박 영 서

목 차

제 1장 서 론······················································································· 1

1. 연구의 필요성····································································· 1

2. 연구의 목적········································································ 3

3. 연구의 범위 및 내용·························································· 5

4. 참여연구원·········································································· 8

제 2장 국내외 연구 동향···································································· 9

1. 국외 기술 동향··································································· 9

2. 국내 기술 연구동향·························································· 16

제 3장 연구프로세스········································································· 26

1. 1차 세미나········································································ 26

2. EGS 수리자극의 지반진동에 관한 발표(2차 세미나) ······ 27

3

3. 3차 세미나········································································ 28

4. 4차 세미나········································································ 29

5. 연구프로세스의 성과분석·················································· 30

제 4장 결론······················································································· 76

참고문헌······························································································ 79

표 목차

<표 1-1> 참여연구원··········································································· 8

<표 2-1.> 세계 지열발전 설비 추이 및 예측····································· 12

<표 2-2> 시추장비 사양 및 전경······················································ 21

<표 3-1> 발파진동, 자연지진 및 EGS 수리자극 진동의 비교··········· 33

<표 3-2> 진동의 표시단위································································· 37

<표 3-3> JMA계급············································································ 41

<표 3-4> USGS의 진도(Mod. Mercalli Intensity), 진동가속도(PGA)

와 진동속도(PGV)의 상관기준···························································· 42

<표 3-5> 지반진동에 대한 피해························································ 43

<표 3-6> USBM의 제안(RI8507, 1980) ·············································· 45

<표 3-7> OSM의 기준······································································ 46

<표 3-8> 캐나다 Halifax의 허용 수준··············································· 48

<표 3-9> Ontario의Hamilton시와Muskoka의지상구조물에대한허용수준 49

<표 3-10>독일의충격진동(short-term vibration)에의한건물피해기준 50

<표 3-11> 건축 구조물의 민감도 등급·············································· 53

<표 3-12> 건축물에 대한 충격 진동 영향 기준치····························· 54

<표 3-13> 다양한진동원에의한건물의손상발생가능성평가지침서·· 56

<표 3-14> 보정되지 않은 진동속도··················································· 58

<표 3-15> 건축물 계수······································································ 58

<표 3-16> 건축재 계수······································································ 58

<표 3-17> 공사기간 계수·································································· 59

<표 3-18> 호주의건설작업시에표준이되는진동속도허용수준········· 60

<표 3-19> 포항 EGS 수리자극에의한지반진동의관리기준의제안···· 72

그림 목차

<그림 2-1> EGS 지열발전 개념도··················································· 10

<그림 2-2> 미국 지열발전 설비예측················································· 11

<그림 2-3> 국가별 지열발전 현황 ····················································· 13

<그림 2-4> 2000년 이후 지열 발전 플랜트 시장 점유율··················· 14

<그림 2-5> 심도별 열부존량 분포도················································· 17

<그림 2-6> 심도 5 km에서 온도가 150℃이상인 지역 ····················· 18

<그림 2-6> 최종 연구부지 및 연구부지 접근도로 확보···················· 19

<그림 2-7> 시추공 위치도································································· 19

<그림 2-8> 지열정 설계안································································· 20

<그림 2-9> 비소지진 관측시스템 위치도·········································· 23

<그림 3-1> 대표적인노천채굴석탄광의발파진동기록과주파수분포··· 34

<그림 3-2> 지진 진동기록과 이에 대비하여 건설공사 발파와 지하핵실

험 발파진동 기록 ················································································ 35

<그림 3-3> 노천채굴 발파와 건설발파의 탁월 주파수대역··············· 36

<그림 3-4> USBM의 제안································································ 45

<그림 3-5> OSM의 기준··································································· 46

<그림 3-6> BS7385의 허용 수준······················································· 56

<그림 3-7> 발파진동에 대한 인체의 감응곡선·································· 61

<그림 3-8> 대상 프로젝트 위치에서의 자연지진 발생 위험지수······· 63

<그림 3-9> 바젤지열발전 수리자극시의 미소지진 안전관리 시스템 · 67

<그림 3-10> 지열발전시스템에서 발생한 유발지진··························· 69

<그림 3-11> 포항 EGS Site 주변 ····················································· 71

<그림 3-12> 공극수압의작용에따른절리면의미끄러짐이발생하는현상··74

1

제1장

서 론

1. 연구의 필요성

○ 지열에너지는 태양광이나 풍력에 비하여 기상 조건 등의 영향

을 받지 않고 연중 24시간 생산 가능한 신재생 에너지 자원으

로서 1904년 이탈리아의 Larderello에서 지열발전 실험에 성공

하여 2010년 말 현재 세계적으로 10.7 GW의 발전설비가 갖추

어져 있다.

○ 전통적인 고온 열수(hydrothermal) 지열발전은 화산지역에서 지

하 2 km 내외의 깊이에서 온도 180 °C 이상의 증기를 끌어올려

발전기 터빈을 가동하는 방식이며, 이 방식은 심부 지중의 높은

지열 온도의 근원이 되는 열원의 존재, 지열유체가 부존할 수 있

는 투수성 구조, 그리고 충분한 지열수 유입량의 세 가지 조건을

만족해야 한다. 그러나 지열발전을 위한 세 가지 조건 중 온도가

부족할 경우에 즉, 180 °C 이하의 지열유체의 경우에는 터빈을

돌릴 정도로 증기 압력이 높지 않아서 열교환기를 통해 끓는점이

낮은 작동유체에 열을 전달해 기화된 작동유체의 압력으로 터빈

을 돌려발전하는 binary 발전 방식을선택한다.

2

○ 화산성 고온 지열지역이 아닌 우리나라에서도 심도 5 km에서

기대되는 최대 온도는 약 180℃ 이내로서 최근 선진국에서 개

발 중인 인공 지열 저류층 생성 기술(EGS; Enhanced

Geothermal System)을 통한 상업적 지열발전이 가능하다.

○ 인공지열 저류층 생성기술(EGS)은 과거에 고온암체(Hot Dry

Rock; HDR)를 대상으로 했던 기술이 좀 더 포괄적인 의미로

진보한 것으로 발전을 위한 온도는 충분하지만 유체가 없거나

투수율이 낮아 발전에 필요한 만큼의 압력을 가진 지열수 저류

층이 부존하지 않을 경우에 인공적으로 투수율을 향상시켜 이

를 상업적으로 발전이 가능한 시스템으로 만들어내는 기술이다.

○ 온도는 높은데, 투수율이 낮은 경우에는 원하는 온도에 도달할

때까지 땅속 깊이 시추공을 굴착한 후에 강한 수압으로 암반의

파쇄 또는 자극을 실시하여 인공적으로 지열 저류층을 생성시

키고, 이를 통과하면서 열교환되어 온도가 높아진 증기를 또

다른 시추공을 통해 끌어올려 발전에 이용하는 방식이다.

○ 이상에서와 같이 국내 5km 이내 심도에서 발전이 가능한 심부

지열자원을 탐사하여 지열발전 상용화 기술을 개발하기 위하

여 대심도 시추공을 이용 심부고온 암체(최고온도 160℃)의 수

3

압파쇄(수리자극)에 의한 인공 지열저류층 생성 기술 개발이

필수적이나 아직 국내에서는 대심도 고온에서 수압파쇄를 시

험한 기술과 연구가 없다.

2. 연구의 목적

○ 국내 5 km 심도에서 발전이 가능한 심부지열자원을 탐사하

여 MWe급 지열발전 상용화 기술개발에 관한 대형연구과제

가 5개의 연구기관 참여하여 수행중에 있다 (지식경제부 에

너지기술개발사업).

이 대형연구과제는 2010년 12월 1일부터 2015년 12월 31일 까

지 5년간에 걸친 연구가 진행 중이다. 현재 대상 지역 포항근

교에서 주로 지열탐사를 위한 대심도 시추작업이 지하 3km 이

상 진행 중에 있으며 앞으로 시추공의 심도를 4-5 km 까지 연

장 하여 소기의 지열원을 확보 하고 두번 째 생산정 시추공을

굴착하여 수리자극 (Hydraulic Stimulation 또는 Hydraulic

Fracturing)을 실시하고, 저류층 순환시험을 실시하며, 마지막

년도 (2015년)에는 지표의 지열발전소를 건설할 계획으로 추진

하고 있다.

4

○ 서울대학교 산학협력단(책임자 민기복 교수)은 이 대형과제 중

주로 EGS 지열발전의 핵심이 되는 대심도 시추공을 이용

심부고온 암체(최고온도 160℃)의 수압파쇄(수리자극)에 의한

지열저류층 생성기술과 지열수 순환시스템의 구축 및 유지,

관리에 관한 기술개발을 최종목표로 하여 금년도에는 수리

자극 효율극대화와 지열 저류층 장기거동 예측 기초모델구

축에 관한 연구를 수행한다.

○ 따라서 이 대학 정보지원 과제에서는 서울대학교 산학협력

단(책임자 민기복 교수)와 공동 연구를 통하여 EGS 지열

발전의 국내외 기술 및 연구동향을 심층 분석하고 지열 저

류층을 생성하기 위한 수리자극(수압파쇄)에 따른 지반진동

이 지상구조물에 미치는 영향에 대하여 현재까지의 연구를

분석하여 해결 방안을 제시 하는데 그 목적이 있다.

3. 연구의 범위 및 내용

○ 본 과제의 연구의 범위 및 내용을 보고서의 목차에 따라 다음

과 같이 기술한다.

5

제1장 서론

상기 본 연구계획서의 연구의 필요성과 연구의 목적, 연구 범

위 및 내용 등을 기술한다.

제2장 국내외 동향 분석

지열발전에 관한 국내외 기술 및 연구동향을 EGS(인공 저류

층생성)지열발전을 중심으로 기술 한다. 국외기술 연구동향

에서는 프랑스, 호주, 미국, 영국 등 세계 각국의 EGS 지열발

전 기술의 연구동향을 분석하며 국내기술 연구동향에서는 국

내 지열조사 및 탐사현황을 중심으로 지열자원 데이터베이스

(DB), 지열 발전 프랜트 설계, 시공기술에 대하여 기술한다.

제3장 대학 정보 지원일지

EGS 지열발전 상용화 기술개발에 관한 대형과제중 정보

지원 공동연구자인 서울대학교 민기복 교수의 2013년도 연

구내용은 다음과 같다.

- 수리자극 효율극대화 기초 모델 구축

실험실내 이축가압장치 제작하여 수리자극(수압파쇄)

재현실험 및 수치해석 모델구축 하며 해외 EGS

실증자료와의 비교를 통한 수리자극 효율 극대화 방

안 도출한다.

- 지열 저류층 장기거동 예측 기초 모델 구축

이방성을 고려한 시추공 안정 해석 모델을 완성하고

열-유체 연동해석을 통한 주입공 및 생산공의 정밀

6

최적 거리 결정한다.

상기 연구내용은 현재 진행되고 있는 지열탐사 시추작업이섭씨 160도의 지열대에 도착하기까지(약 4km 이상 심도)

는 현장 적용 실증 시험연구가 불가능 하므로 주로 컴퓨터

수치해석을 적용하여 기초 모델을 구축하는 연구로 서울대

학교 공과대학 에너지자원공학과 석.박사 대학원생 6명이

참여하고 있으며 매월 연구진행에 관한 세미나를 개최하고

있다.

고경력 과학기술자 이정인은 이 세미나에 참석하여 EGS

지열발전의 수리자극에 관한 상기 연구과제에 관한 자

문과 함께 선진 외국의 기술 및 연구 사례를 조사 발표

한다. 특히 EGS 수리자극에 의한 지층 내 인공 균열

발생에 의한 저류층 생성 시 수반되는 미소 지진은 균

열의 전파 위치를 탐지하는 주요한 시그널이 되지만 반

대로 이에 의한 지반 진동이 지상 구조물 및 환경에 피

해를 주기도 한다. 따라서 고경력 과학기술자 이정인은

① 지반 진동이 지상 시설물 및 인체 환경에 미치는 영

향을 규명하기 위하여 과거 발파진동에 관한 연구결과

를 발표하고 ② 발파진동과 EGS 수리자극에서 발생하

는 진동의 특성을 비교 분석 ③ 발파진동에 의한 건축물

의 피해 및 각국의 허용 기준 ④ 지반진동이 인체 및 가

축에 미치는 영향 ⑤ 유럽과 미국의 EGS 지열발전 프로

젝트에서 발생하는 미소지진에 대한 연구와 대책에 대한

사례분석 ⑥ 포항 EGS 지열 발전의 수리자극에 의한 지

7

반진동의 안전관리 기준에 대한 제안 등을 을 발표한다.

제4장 결론의 내용으로 기술한다.

4. 참여연구원

<표 1-1> 참여연구원

구분 성명 직위 전공 업무

ReSEAT

프로그램이정인 전문연구위원 암반공학

과제 책임, 기술 연구 동향분석, EGS 지반진동영향평가

서울

대학교

민기복 교수 암반공학실험 및 수치해석 지도,세미나 주관

김한나 박사과정 암반공학 데이터 분석

박보나 박사과정 암반공학 데이터 분석

Xie,

Linmao박사과정 암반공학 데이터 분석

박정아 석사과정 암반공학 실험

8

제2장

국내외연구동향

1. 국외 기술 동향

○ 지열발전의 선진국의 경우, 화산성 고온지역이 아닌 지역에서

지하 5 km 심도까지 굴착 후(심부 굴착 기술), 고압의 수리자

극을 이용하여 인공적으로 지열 저류층을 생성(인공 저류층 생

성 기술)하여 이로부터 증기 및 열수를 회수하여 전기를 생산

(binary 지열발전 기술)하고 집단 열에너지를 공급하는

Enhanced (또는 Engineered) Geothermal System (EGS) 기술

로 발전하고 있다.

○ EGS를 통한 지열발전의 가장 대표적이며 최초의 상업적인 성

공을 거둔 사례는 프랑스의 Soultz Project

(http://www.soultz.net)이며, 현재 1.6 MWe급의 ORC 바이너

리 발전시설이 가동 중에 있다.

9

<그림 2-1> EGS 지열발전 개념도

○ Soultz의 경험을 바탕으로 이보다 40 km 북쪽에 위치한 독일

의 Landau에서는 3.5 km 시추만으로 150℃의 지열 저류층 부

존을 확인하였고 현재 3 MWe의 지열발전 시설이 가동 중이

다.

○ 이외에도 호주의 Cooper Basin 등지에서 EGS를 통한 지열발

전 프로젝트가 활발히 진행 중이다(Time지 2008년 7월).

○ 미국에서는 EGS를 통한 지열발전을 원자력과 화력발전을 대체

10

할 수 있는 유일한 에너지 기술로 보고 2050년에 100 GWe의

지열발전 설비를 구축하겠다는 계획을 수립하였다(MIT 보고

서, 2006).

<그림 2-2> 미국 지열발전 설비예측(DOE,2010)

○ 영국에서는 Eden 지열발전 프로젝트를 진행 중이다.

○ IPCC Report (2008)에 따르면 2005년 세계 지열발전 설비용량

은 8.9 GWe, 지열발전량은 연간 57,000 GWh이나 2050년에는

지열발전 설비용량이 140 GWe, 지열발전량은 연간 약

1,103,000 GWh로 예측 하고 있다.

11

Year

Installed

Capacity

(GW)

Electricity

Production

(GWh/yr)

Capacity Factor

(％)

1995

2000

2005

2010

2020

2030

2040

2050

6.0

8.0

8.9

11

24

46

90

140

38,035

49,261

56,786

74,669

171,114

343,685

703,174

1,103,760

64

71

73

77

81

85

89

90

<표 2-1.> 세계 지열발전 설비 추이 및 예측(출처: IPCC Report (2008))

○ 동 보고서는 또 2050년 전세계 지열발전 시장은 약 1,760억 달

러에 이를 것이며 지열발전에 따른 이산화탄소 감축효과는 약

5억톤에 달할 것으로 예측 하였다.

○ 지열발전의 설비용량이 큰 순서로 미국, 필리핀, 멕시코, 이탈

리아, 인도네시아, 일본 순이며 우리나라는 아직까지 지열발전

을 위한 시도가 없었다.

12

<그림 2-3> 국가별 지열발전 현황

(출처: www.absenergyresearch.com)

○ 2000년 이후 현재까지 약 2.2 GWe의 새로운 지열 발전 플랜트

가 가동개시 및 건설 중에 있으며, 이 중 Mitsubishi, Ormat

및 Fuji가 설치 용량 기준 75%, 설비 수 기준으로 약 60%의

세계 시장 점유율을 보이고 있다 (IGA News, 2008).

○ 연도별 지열발전 기술별 예측에 의하면 2050년 전세계 지

열발전 설비용량은 약 200 GW이고, 발전량은 1,400 TWh

및 2020년 EGS 지열발전 설비용량 500 MW로 예측(IEA,

2011).

13

<그림 2-4> 2000년 이후 지열 발전 플랜트 시장 점유율 (IGA

News, 2008)

○ 일본의 Mitsubishi 중공업은 세계 최고 수준의 터빈 기술력을

보유한 곳으로, 전 세계 11개국 90개 지역 이상에 터빈-발전기

14

를 납품하였음. 설비 용량은 100kWe∼150MWe 규모에 이른다.

○ 일본의 Fuji Electric Systems는 패키지형 지열 발전용 터빈-발

전기 유닛을 30MWe 용량까지 공급하고 있으며, 대형 시스템

으로는 110MWe(@50Hz) 규모의 지열 발전 유닛의 공급하고

있음. 지난 2001년까지 1,673MWe 용량의 지열 발전 플랜트를

세계 시장에 공급하였다.

○ 미국 네바다주에 본사를 두고 있는 ORMAT은 지열 발전 플랜

트는 물론 지열 자원 개발, 플랜트 건설, 소유 및 운영 등 지

열 발전의 모든 분야에 걸쳐 시장을 선도하는 대표적 기업 중

하나로 이스라엘, 필리핀, 과테말라, 케냐 등에서도 사업을 진

행 중임. “Ormat Energy Converters (OEC)"라는 명칭의

ORC(Organic Rankine Cycle) 기반의 발전 유닛 모듈을 생산

하여 지열발전 시장 및 산업 배열 발전 시장을 공략하고 있음.

OEC 단일 설비용량은 250kWe∼20MWe이며 전 세계 71개국

에서 사용되고 있음. ORMAT은 총 1,100MWe 용량의 지열 발

전 플랜트를 세계 시장에 공급해 왔으며, 특히 일본의 회사들

보다 바이너리 방식(특히 ORC)의 플랜트 제작 경험이 풍부하

다.

15

2. 국내 기술 연구동향

○ 심부 지열자원의 조사/탐사 기술, 지열 저류층 평가 기술,

심부 시추기술 및 심부 지열저류층 활성화 기술 등의 종합

적인 지열자원 개발 핵심기술이 필요하다.

○ 1970년대까지 국내 지열연구는 주로 온천조사였으며, 1980

년대 들어서면서 관련 연구소와 학계가 온천조사뿐만 아

니라 지열류량에 대한 연구도 비로소 수행하기 시작하였

음. 이후 산발적으로 국내 지열자원에 대한 조사가 행해지

다가 2003년 한국지질자원연구원에서 기존의 온천시추 등

의 자료를 수집하고 암석의 열물성을 측정하여 2007년 기

준으로 총 359개의 지열류량 시료와 580개의 지온증가율

자료, 또한 1,560개의 암석 샘플에 대한 열전도도를 측정

하여 남한에 대한 지온증가율 분포도, 지열류량 분포도,

그리고 암석의 열전도도 분포가 작성되었다.

○ 국내 지열자원 부존 정보 DB는 미국 및 유럽의 선진국 수

준으로 구축되어 지열자원 부존량 평가에 활용되고 있다.

16

3km 4km 5km

<그림 2-5> 심도별 열부존량 분포도(한국지질자원연구원)

○ 국내 심부지열 개발은 한국지질자원연구원에서 2003년에

본격적으로 경상북도 포항시 흥해읍에서 지하 2km 심도에

서 75℃ 온도의 지열수를 개발하여 지역난방 및 시설영농,

양어 등에 활용을 목적으로 하는 연구가 시작되어 1.5km

심도 시험 시추공에서 온도 51℃, 하루 560톤의 지열수 개

발에 성공하였고, 본격적인 지열수 개발 및 활용을 위해 현

재 2.385km 심도에서 90℃ 온도의 지열수를 개발하였다.

○ 우리나라는 비화산지대이며 지중온도가 가장 높은 지역의 5km

에서 약 180℃ 내외이므로 외국에 비해 지온경사도가 크지 않

은 편임. 따라서 5 km 이내에서 확보할 수 있는 지열수의 온

도범위가 약 100∼180℃ 정도이므로 이에 적합한 지열발전 플

랜트를 선정할 필요가 있다.

17

<그림 2-6> 심도 5 km에서 온도가 150℃이상인 지역

(한국지질자원연구원)

○ 지열정 시추 위치 선정

후보부지 선정을 위해서는 (1) 수리자극 등을 위한 용

수확보 가능성, (2) 차량 등의 용이한 접근성, (3) 소음 및

진동에 관한 민원제기 가능성, (4) 매입면적, (5) 기반시설

확충, (6) 준공(검사)에 대한 검토가 이루어져야 한다.

최종 부지는 포항시 북구 흥해읍 남송리 산77-45 및

329의 약 7,260 m3 면적의 부지로 개발행위허가를 취득해

야 하는 부지이다. 포항 도시고속도로 인근으로 약 7,260

m3의 면적이다. 민가로부터 다소 떨어져 있어 소음과 진

동에 대한 민원발생 가능성이 적고, 인근의 관답 소류지

를 활용할 수 있어 용수공급이 용이하다. 자연녹지지역에

해당하며, 부지로 연결되는 제방도로는 국토해양부 및 농

림수산부 소유 부지로 도로로 인정되도록 공문처리를 하

였다<그림 2-6>.

18

<그림 2-6> 최종 연구부지 및 연구부지 접근도로 확보

<그림 2-7> 시추공 위치도

○ 선정된 상기 포항시 북구 흥해읍 남송리 의 지열개발정의 시추

19

설계는 당초 5,000 m 깊이까지 계획안과 예산 등을 고려 최고

심도 3,000 m 까지 시추 하는 두 종류의 설계안을 <그림

2-8> 과 같이 갖고 있다.

<그림 2-8> 지열정 설계안

○ 시추장비 및 시추업체는 국내업체가 없어 주로 외국의 석유시

추나 지열개발 시추전문사를 중심으로 검토하여 중국 Jincheng

20

Description 사양 시추장비 전경

Nominal drilling depth 3,500~5,000 m

Max. hook load 3,150 kN

Nominal class 1,500 HP

Drawworks max input power 1,500 HP

Substructure height 7.62 m

Rotary/setback loading 3,150/1,800 kN

Mast height 45 m

Sheave dia. of crown block 1,270 mm

Wireline diameter 35 mm

Rotary table drive 800 kW

Open dia. of rotary table 37-1/2″

max pressure of mud pump 5,000 psi

Total volume of mud tank 250 m3

Annular BOP(boresize/pressre) 13-5/8″/ 5,000 psi

<표 2-2> 시추장비 사양 및 전경

社의 ZJ50/3150D 시추장비를 선정하였다. 시추장비의 사양 및

전경은 <표 2-2>와 같다.

○ 진동(미소지동) 모니터링 시스템 구축

수리자극에 의해 심부 암반 내 균열이 생성 및 전파할

때 발생하는 미소지진(micro seismicity)을 실시간으로 관

측함으로써 지열 저류층 생성 및 발달 상황을 3차원적으

로 규명 할 수 있으며, 암반 내 탄성파 속도 규명 및 심부

파쇄대를 영상화 할 수 있다. 또한 미소진동 반사 신호를

해석하여 지열수 순환 경로를 영상화하는데 그 목적이 있

다. 미소진동 관측시스템 제원 및 설치는 다음과 같다.

21

(1) 시스템 제원

- 미소진동 센서: 시추공 3성분 가속도계 (영국 DJ

Birchall Instruments사 A/800 모델) 및 amplifier

(V4/04 모델), 정밀도 1,000 V/g

- 자료 측정 장치: 24 bit digitizer (영국 Guralp

system사 CMG-DM24/S3)

- 자료 전송장치: ADSL을 통한 인터넷망 이용

(2) 시추공 설치

가속도계 설치를 위한 시추공은 현장 사정에 따라

약 100 m ~ 130 m 깊이로 굴착되었고, 시추공의 보

호를 위하여 케이싱을 설치하였으며 케이싱 설치 후

의 내경은 100 mm이다. 케이싱은 일반적인 코어링

시추공에 사용하는 철재를 사용하였고, PHBS 1의 경

우에는 케이싱에 의한 신호 왜곡 현상을 비교해보기

위해 플라스틱 케이싱을 설치하였다. 일부 시추공에

서는(PHBS 1, PHBS 5, PHBS 6) 케이싱과 시추공

벽 사이의 공간에 그라우팅을 실시하였다.

22

<그림 2-9> 비소지진 관측시스템 위치도

○ 시추 공정 계획 및 2012년도의 시추실적은 1단계에서 심도

2.25 km까지 시추가 완료된 상태이고, 2.1km에서 섭씨103 온도

를 확인하였다. 2013년 5월 20일 시추를 재개하여 10월 말 현

재 4,127m를 굴진 완료 하였으며 섭씨 180 온도를 기대하고 있

다.

○ 일반적으로 지열발전에 적용되는 플랜트는 건증기 지열발전,

플래쉬증기 지열발전, 바이너리 사이클 지열발전으로 분류할

수가 있으나 국내 여건에 맞는 바이너리 사이클 발전으로서 이

에 대한 기술 개발이 적극적으로 이루어져야 한다.

23

○ 발전 플랜트 산업은 건설, 기계설비, 엔지니어링 등이 결합된

복합 산업으로서, 플랜트 설계, 시공 기술은 물론 요소 설비의

설계/제작 기술 등이 종합적으로 집약되어 있음. 지열발전 분

야 외의 국내의 플랜트 설계 및 시공 기술 수준은 화학 및 발

전 분야에서 이미 세계적 수준에 도달해 있으므로, 적절한 투

자 및 지원이 뒷받침 된다면 지열발전 플랜트 설계 기술 분야

에서도 단기간 내에 세계수준의 기술력을 확보할 수 있으리라

사료된다.

○ 한편, 지열발전 플랜트의 핵심 요소 설비는 주로 증기터빈-발

전기(및 제어계), 열교환기, 작동유체 펌프 및 저장 용기, 냉각

시스템 등임. 이중 가장 핵심요소라 할 수 있는 증기터빈-발전

기(및 제어계)의 경우, 국내에서는 두산중공업이 유일하게 대형

증기터빈-발전기 설계 및 제작기술을 보유하고 있음. 중소형

증기터빈의 경우에는 경제성 문제로 제작 및 상용화 사례가 전

무한 상태이다(박명호, 2008).

○ 두산중공업은 국내의 표준화력 500 MW 및 표준원자력

1,000 MW의 설계, 제작 및 설치 공급을 통하여 증기 터

빈-발전기 국산화기술을 확보하였으며, 국내 최초로 증기

터빈 D11 Type을 완제품으로 미국의 GE에 제작/공급한

바 있다. 또한, 자원고갈, 발전소부지 제약, 환경오염 규제

24

등의 대안으로 고효율 및 대용량 발전소의 건설 필요성

에 따라 국내에서 처음으로 추진한 800 MW급 영흥화력

발전소용 터빈과 발전기를 GE사와 공동개발을 통해 1, 2

호기를 성공적으로 제작/공급함으로써 터빈과 발전기의

용량격상 및 터빈효율 증대를 위한 설계기술 및 신기술

을 확보한 것으로 평가되고 있다.

○ 그러나 국내에는 고온성 지열원이 부존할 가능성이 낮으므로

바이너리(binary) 방식의 지열발전 플랜트가 적합하며, 이를 위

해서는 스팀 증기 터빈이 아닌 유기 작동유체 증기를 위한 터

빈이 필요하므로 이를 위한 기술 개발이 필요하다.

25

제3장

연구프로세스

1. 1차 세미나

○ 일시 및 장소: 2013년 6월 12일(수요일), 서울대학교 암반공학연구

실 세미나실

○ 발표자: Xie, Lin-Mao(박사과정 중국유학생)

○ 참석자: 이정인, 민기복, 김한나, 박보나, 이재원, 김태현 외 민

기복 교수 지도 대학원생

○ 주제 및 토의사항

- EGS 수리자극에서 수압 파쇄의 발생에 대한 해석 : 수리자

극 시뮬레이션 모델 구축을 위한 연구로 경사가 변하는 시

추공에서 수압파쇄 개시압력과 최적 시추경로에 대한 연구

26

의 일부를 발표. 경사 시추공 벽면의 응력해석과 수압파쇄

개시의 인장 파괴론을 기초로 주어진 초기응력상태에서 파

괴 지점을 판단 할 수 있는 모델을 제안 하였다. 수압파쇄

가 일어나는 주입정 수두압을 심도의 영향을 고려한 주입압

과 공파과압을 고려하여 구할 수 있으며 이 모델을 호주 쿠

퍼베신 Jolokia #1 주입정에 적용한 실증사례도 제시 하였다.

- 과제책임자이며 전문연구위원인 이정인 명예교수는 세미나

에서 이론 모델이 의한 컴퓨터 수치 해석은 실제 설계에

적용하여 실증 되지 않으면 연구 가치가 없음을 설명하고

실제 사례에 적용 하여 실증을 입증 하도록 지도 하였다.

또한 수리자극 수압파쇄에서 발생하는 미소 지진동

(Microseimicity)이 인공균열의 형성 방향과 범위를 탐지 하

는 수단이 되지만 활성단층대나 역사적으로 지진이 자주 발

생한 지역에서는 지반진동에 의한 피해가 발생할 우려가 있

음을 제시 하였다.

2. EGS 수리자극의 지반진동에 관한 발표(2차 세미나)

○ 일시및장소: 2013년 7월 25일(목요일), 포항지열개발현장사무소

회의실

27

○ 발표자: 이정인

○ 참석자: MW급 지열발전 상용화 기술개발 과제 참여기관 연구

책임자: 윤운상(과제총괄 책임자, 넥스지오 대표), 이태

종(한국지질자원 연구원), 민기복(서울대학교 산학협력

단), 김광염(한국건설기술연구원), 이상돈(주. 이노지오

테크놀로지), 송윤호(한국지질자원 연구원) 전재수(주.

넥스지오 현장사무소장) 외 각 참여기관 연구 참여자

20여명

○ 발표주제, 지반진동이 지상 구조물에 미치는 영향 – 발파진동

사례를 통한 EGS 수리자극에의 활용

○ 발표내용 및 토론: 다음 절의 연구프로세스의 성과 분석에 기

술 하였다.

3. 3차 세미나

○ 일시및장소: 2013년 9월 4일(수요일), 서울대학교 암반공학연구실

28

세미나실

⃝ 발표자 : 김한나(박사과정), 이정인

⃝ 주제 및 토의사항

실내 이축실험을 통한 시추공 안정해석(김한나)에서는 미소파괴음

위치 추적 장치를 포함 한 이축 가압장치 설치 완료 하여 이축

조건에서의 수압파쇄 재현실험 진행 연구현황 보고

전문연구위원 이정인은 EGS 수리자극에 의한 미소지진에 대하여

유럽과 미국의 사례연구 발표

⃝ 발표내용 : 연구프로세스의 성과 분석에서 설명 하였다.

4. 4차 세미나

○ 일시및장소: 2013년 10월 11일(금요일), 서울대학교 암반공학

연구실 세미나실

⃝ 발표자 : 박보나

⃝ 주제 및 토의사항

- 스위스 바젤 프로젝트의 EGS 수리자극에서 미소지진의 발

29

생으로 프로젝트가 중단 된 사례는 앞으로 우리나라 포항

프로젝트를 수행하는데 큰 도움이 될 수 있어 이를 전문연

구위원 이정인 교수의 주관으로 좀 더 구체적으로 검토 하

였다. 구체적 검토내용은 다음의 연구 프로세스 성과 분석

에서 상세히 설명 하였다.

5. 연구프로세스의 성과분석

⃝ 분석 주제 : 지반진동이 지상구조물 및 환경에 미치는 영향

평가-발파진동 사례를 통한 EGS 수리자극에의 활용-

⃝ 분석자 : 전문연구위원 이정인

⃝ 분석내용

1) 개요

지열에너지는 태양광이나 풍력에 비하여 기상 조건 등의 영향을

받지 않고 연중 24시간 생산 가능한 신재생 에너지 자원이다. 전통

적인 고온 열수 지열발전은 화산지역에서 지하 2 km 내외의 깊이에

서 온도 180 °C 이상의 증기를 끌어올려 발전기 터빈을 가동하는 방

식이며, 이 방식은 심부 지중의 높은 온도(지열)의 근원이 되는 열원

30

의 존재, 지열유체가 부존할 수 있는 투수성 구조, 그리고 충분한 지

열수 유입량의 세 가지 조건을 만족해야 한다. 화산성 고온 지열지

역이 아닌 우리나라에서도 심도 5 km에서 기대되는 최대 온도는 약

180℃ 이내로서 최근 선진국에서 개발 중인 인공 지열 저류층 생성

기술(EGS; Enhanced Geothermal System)을 통한 상업적 지열발전

이 가능 한 것으로 보고 있다1). 인공지열 저류층 생성기술(EGS)은

과거에 고온암체(Hot Dry Rock; HDR)를 대상으로 했던 기술이 좀

더 포괄적인 의미로 진보한 것으로 발전을 위한 온도는 충분하지만

유체가 없거나 투수율이 낮아 발전에 필요한 만큼의 압력을 가진 지

열수 저류층이 부존하지 않을 경우에 인공적으로 투수율을 향상시켜

이를 상업적으로 발전이 가능한 시스템으로 만들어내는 기술이다.

즉 원하는 온도에 도달할 때까지 땅속 깊이 시추공을 굴착한 후에

강한 수압으로 암반을 자극 파쇄 하여 인공적으로 지열 저류층을 생

성시키고, 이를 통과하면서 열교환되어 온도가 높아진 유체를 또 다

른 시추공을 통해 끌어올려 발전에 이용하는 방식이다.

현재 국내 포항에서 5km 이내 심도에서 발전이 가능한 심부지열

자원을 탐사하여 MWe급 EGS지열발전 기술개발에 관한 연구가 수

행 중에 있으며 이 연구과제에는 심도 4∼5km의 시추공에서 저류층

생성을 위한 수리자극(Hydraulic Stimulation) 기술의 연구도 포함되

어 있다. 인공 저류층 형성을 위한 수리자극 에서는 단층 등의 불연

속면에서 발생하는 미소지진(Micro-Seismic Event)에 의한 지반진동

의 피해가 발생할 수 있으며 실제로 스위스 바젤 지열발전 프로젝트

에서는 수리자극 에 따른 미소진동으로 인해 프로젝트가 중단된 사

례도 있다2).

한편 우리나라는 1970년대 후반부터 서울시 지하철, 지하 유류비

축기지, 지하 양수발전소, 고속전철 및 도로 터널, 도심지 고층건물

31

지하 터파기 공사 등이 활발해지면서 발파진동에 의한 지상 구조물

과 환경피해와 안전발파 설계에 관한 연구가 많이 수행되어 이들 공

사가 원활이 수행 되는데 크게 기여 하였다3-18).

따라서 이 연구에서는 인공 저류층 생성 수압파쇄 작업에 의한

지반진동이 지상구조물 및 환경에 미치는 영향을 발파진동의 사례

를 중심으로 검토 하고 그 활용 대책을 논의 하였다.

2) 지반진동이 지상 시설물 및 인체 환경에 미치는 영향

2.1) 발파진동, 자연지진 및 EGS 수리자극에서 발생하는 진동의

특성

지반진동의 발생원은 다양하다. 우리생활의 주변에는 발파작업을

위시하여 항타, 지반타격, 굴착 등의 건설공사에 의한 대체로 지속

시간이 짧은 진동과, 차량, 철도 운행에 따른 교통진동, 각종산업기계

의 운전에서 발생하는 지속시간이 긴 산업진동 등이 있다. 이러한

인공적인 지반진동 이외에도 자연지진에 의한 진동의 피해가 있다.

이 연구에서는 그대상이 되는 EGS 수리자극에서 발생하는 지반

진동을 성질이 가장 유사한 발파진동과 자연지진 진동과 비교하여

<표 3-1>에 나타내었다.

32

<표 3-1> 발파진동, 자연지진 및 EGS 수리자극 진동의 비교

구분 발파진동 자연 지진 EGS 수리자극

에너지원 화약 지각 변동 수압파쇄

진원 깊이지표 또는 깊지

않은 지하

지하 수 km

이상지하 2~5 km

전파 경로표토층 또는 한

두층 암반여러 층의 암반 한 두층의 암반

진동주파수 수십 Hz~수백 Hz수 Hz 또는 그

이하

수십 Hz 또는

그 이하

진동지속 시간 0.5~2초 이내수초 또는 10초

이상

발파진동과

자연지진의 중간

진동의 파형 비교적 단순 복잡발파진동과

자연지진의 중간

이 발파작업에는 그 규모에 따라 노천채광 발파와 과거 구소련이

나 중국에서 산악지대의 댐 건설에 사용되었던 쳄버 브라스팅, 지하

핵실험 등의 대규모 발파에서부터 지하철, 고속철도 터널, 도심도로

터널과 터파기 발파, 건물해체 발파 등 도심건물 근접발파 등 다양

하다. 그러나 지하 핵실험을 제외한 대부분의 발파진동은 지진이나

EGS 수리자극 진동에 비하여 진원이 지표 또는 깊지 않은 곳에 위

치하는데 비하여 자연지진은 지하 수 km 이상, EGS 수리자극의 경

우 지하 2∼5km 심부에 위치한다. 따라서 발파진동의 경우 진동의

전파경로가 표토 또는 한두 층 암반을 경유 하는 짧은 거리인데 비

하여 자연지진의 경우 여러 층의 암반을 경유하는 긴 거리이며 EGS

수리자극 진동은 그 중간 거리이지만 발파진동에 가깝다. 진동 주파

수, 진동지속시간, 진동파형의 경우에도 발파진동이 수십Hz에서 수

백Hz의 고주파로 지속시간이 0.5∼2초 내로 짧고 파형이 사인파에

가까운 비교적 단순한 파형인데 비하여 지진파의 경우 주파수 0.1∼

33

수Hz 저주파로 지속시간이 수 초 또는 10초 이상으로 길고 파형은

복잡하다. EGS 자극에서 발생하는 진동의 경우 역시 진동 주파수,

지속시간 및 파형이 발파진동과 지진 진동의 중간에 속하나 대규모

심부 발파진동에 가까울 것으로 판단된다.

<그림 3-1>은 대표적인 노천채굴 석탄광의 발파진동 기록과 주

파수 분포를 보여주며 <그림 3-2>는 지진 진동기록과 이에 대비하

여 건설공사 발파와 지하핵실험 발파진동 기록을 보인 것이다. <그

림 3-3>은 건설발파와 노천채굴 발파의 탁월 주파수대역을 보여주

고 있다.

<그림 3-1> 대표적인 노천채굴 석탄광의 발파진동 기록과 주파수

분포19-20)

34

<그림 3-2> 지진 진동기록과 이에 대비하여 건설공사 발파와 지하핵실험

발파진동 기록20)

35

<그림 3-3> 노천채굴 발파와 건설발파의 탁월

주파수대역21-22)

<그림 3-1>과 <그림 3-2>에서는 진동시간 이력곡선에서 가장

중요한 조건인 최대진폭, 주 주파수의 주기 및 진동지속시간이 표시

되어 있다.

36

<표 3-2>는 진동의 성분 표시 및 단위를 나타내었다. 일반적으로

발파진동은 시간-변위곡선을 사인함수로 표시할 수 있고 다음 식으

로 표시할 수 있다.

(1)

여기서 U는 최대변위, f는 주주파수, θ는 위상차를 나타낸다. 최

대 진동변위, 속도 및 가속도는 다음 식으로 표시 할 수 있고 주파

수에 의하여 상호 변환 할 수 있다.

max (2)

max (3)

(4)

여기서 U, V, A는 각각 진동변위, 진동변위속도, 진동변위가속도

의 최대값을 나타낸다.

<표 3-2> 진동의 표시단위

성분 기본단위 참 고

변위 cm, mm, μm μm = 10-6 m = 10-3 mm

속도 cm/sec, mm/sec 1 cm/sec = 1 카인(kine)

가속도 cm/sec2, m/sec

2 1 gal = 1 mm/sec2

1 G = 980 cm/sec2 ≒ 1000 gal

주파수 Hz 1 Hz = 1 cycle/sec(cps)

37

다음에 설명 하지만 발파진동의 크기와 피해를 주로 최대 진동속

도(Peak particle velocity 또는 일명 Peak Ground Velocity(PGV))로

나타내는데 비하여 자연지진은 진동가속도를 기준으로 많이 표시한

다.

EGS 수리자극 진동의 경우는 양쪽을 같이 사용하고 있다.

한편 자연지진의 경우 지진의 크기를 나타내는 척도로서 규모

(Magnitude)와 진도(Seismic Intensity)가 사용된다. 규모는 진원에서

방출된 지진에너지의 양을 나타내며, 지진계에 기록된 지진파의 진

폭을 이용하여 계산한 절대적인 척도이다. 반면 진도(震度)는 어떤

한 지점에서의 인체 감각, 구조물에 미친 피해 정도에 의하여 지진

동의 세기를 표시한 것으로 관측자의 위치에 따라 달라지는 상대적

인 척도이다.

진도는 지진의 규모와 진앙거리, 진원 깊이에 따라 크게 좌우될

뿐만 아니라 그 지역의 지질구조와 구조물의 형태에 따라 달라질 수

있다. 국제적으로 규모는 소수1위의 아라비아 숫자로 표기하고 '진도

'는 정수단위의 로마 숫자로 표기하는 것이 관례이다. 예를 들면 규

모 5.6, 진도 Ⅳ 이다. 규모는 통상 리히트 규모를 사용하는데 1935년

미국의 지진학자 C. Richter가 캘리포니아 주 남부지방에서 발생한

지진의 통계적 연구를 수행할 때 지진의 크기를 나타내는 척도의 필

요성을 느껴 다음과 같이 지진규모를 정의하였다. 즉, ‘진앙거리 Δ

＝ 100km인 관측점에서 우드-앤더슨(Wood-Anderson)식 지진계(고

유주기: 0.8초, 배율: 2800배)의 기록지 상에 나타난 최대진폭 A를 μ

단위로 측정하여 그 상용대수를 취한 것’이다. 그러나 모든 지진에

대하여 100km 떨어진 곳에 항상 지진계가 있을 수 없으므로, 실제로

는 다음 식에 의하여 국지지진규모 M을 계산하게 된다. 관계식은 다

음과 같다22).

38

log log (5)

이 식에서 log B는 거리 Δ의 함수로서 100km의 경우, 지진규모

는 0이 되며, 100km가 아닌 곳에서 관측된 지진의 진폭을 보정하는

항이다. 한 지진에 대하여 여러 관측소의 지진기록을 이용하여 규모

를 산출하여 보면, 그 값이 서로 일치하지 않는 것이 보통이며, 이

경우 산술평균치가 규모로서 채택된다. 지진의 <규모(M)>에 따른

지진파 에너지(E)는 다음 식과 같은 관계가 있다22).

log (6)

규모 1.0의 강도는 60t의 TNT의 힘에 해당하며 규모가 1.0 증가

할 때마다 에너지는 약 30배씩 늘어난다. 규모에 따라 인간이 느끼

는 정도는 다음과 같다.

1) 3.5미만 : 거의 느끼지 못하지만 기록된다.

2) 3.5-5.4 : 가끔 느껴지고 미약한 피해 (창문 흔들리고 물건 떨

어짐)

3) 5.5-6.0 : 건물에 약간의 손상이 온다.(벽 균열, 서있기 곤란)

4) 6.1-6.9 : 사람이 사는 곳이 파괴될 수 있다.(가옥 30% 이하 파

괴)

5) 7.0-7.9 : 주지진, 큰 피해를 야기한다. (가옥 전파, 교량 파괴,

산사태, 지각 균열)

6) 8혹은 그 이상 : 거대한 지진, 모든 마을이 파괴된다.

한편 진도란 특정장소에서 감지되는 진동의 세기로 하나의 지진

은 규모는 같으나 진도는 장소에 따라 달라질 수 있다. 진도는 진앙

39

으로부터의 거리, 지표의 성질, 구조물의 특성 등에 큰 영향을 받기

때문에 실제 지진의 크기를 정확하게 나타내는 수단은 되지 못하고

지진계의 기록을 얻을 수 없는 경우나 역사 문헌에 기록되어 있는

지진의 크기를 결정하는 데 이용된다. 그리고 진도는 각 나라의 사

회적 여건과 구조물의 차이점을 고려 설정하는 것으로 세계적으로

통일되어 있지 않으며 나라마다 실정에 맞는 척도를 채택하고 있다.

일본에서는 JMA Scale(Japanese Meteological Agency Scale), 미

국에서는 MM Scale(Modified Mercalli Scale: I-ⅩⅡ), 유럽에서는

로시-포렐 Scale(I-X), 그리고 동유럽에서 구소련을 중심으로 발달한

MSK Scale등이 있다.

우리나라는 진도의 척도를 일본기상청(JMA)이 정한 JMA계급을

사용하고 있다. 'JMA계급'은 10 등급으로 나뉘며 인간의 인지 및 반

응 정도는 <표 3-3>과 같다.

40

<표 3-3> JMA계급23)

진 도 인간의 인지 및 반응

0 사람은 인지 못하나 지진계에 관측됨.

1 조용한 건물에 있는 일부사람에게 느껴짐.

2조용한 건물에 있는 많은 사람에게 느껴짐. 일부사람은 잠에서

깨어날 수도 있음.

3건물에 있는 대부분의 사람에게 느껴짐. 걸어가는 일부사람에게

느껴짐. 많은 사람이 잠에서 깨어남.

4많은 사람이 놀람. 걸어가는 대부분 사람에게 느껴짐. 대부분의

사람이 잠에서 깨어남.

5 Lower많은 사람이 공포심을 느끼고, 지지대를 붙잡고 싶은 욕구를 느

낌.

5 Upper많은 사람이 움직이기에 어려움을 느끼고, 지지대를 잡지 않고

걷기 힘듦.

6 Lower 서 있기 힘듦.

6 Upper 서 있는 것이 불가능하고, 움직이기 위해 기어가야 함. 사람이

허공으로 던져질 수도 있음.7

41

<표 3-4> USGS의 진도(Mod. Mercalli Intensity), 진동가속도(PGA) 와

진동속도(PGV)의 상관기준22)

Instrumental

Intensity

Acceleration

(%g)

Velocity

(cm/s)

Perceived

Shaking

Potenrial

Damage

Ⅰ < 0.17 < 0.1 Not Felt None

ⅡⅢ 0.17 – 1.4 0.1 – 1.1 Weak None

Ⅳ 1.4 – 3.9 1.1 – 3.4 Light None

Ⅴ 3.9 – 9.2 3.4 – 8.1 Moderate Very Light

Ⅵ 9.2 - 18 8.1 - 16 Strong Light

Ⅶ 18 - 34 16 - 31 Very Strong Moderate

Ⅷ 34 – 65 31 - 60 SevereModerate to

Heavy

Ⅸ 65 – 124 60 - 116 Violent Heavy

Ⅹ+ > 124 > 116 Extreme Very Heavy

2-2) 발파진동에 의한 건축물의 피해 및 각국의 허용 기준

지반진동에 의한 피해는 다양 하지만 주로 건축구조물, 진동에 민

감한 기기, 그리고 인체와 가축에 대한 피해의 종류와 피해내용을

요약하면 <표 3-5>와 같다. <표 3-5>에서 보는 바와 같이 피해의

종류는 그 대상에 따라 다양하기 때문에 진동의 허용기준을 정하는

것도 대상과 지역, 각국의 환경에 대한 사정에 따라 서로 다르다.

42

<표 3-5> 지반진동에 대한 피해20),24)

대상 종류 적용

구조

물

미관적 손상

- 단독주택 및 소규모 건축물의 내외벽의 미장재가

떨어져 나가거나 균열을 일으키는 정도로서 큰 어

려움 없이 원상회복이 가능한 손상

구조 손상

- 토목 건축구조물의 구조요소간 연결부위의 이탈 이

완, 골격부재내의 균열발생 및 파단 침하 뒤틀림

등 내부 구조물의 구조적 안정과 기능에 심각한 위

험이 되는 중대한 손상

기기

일시 오작동

- 충격진동 등에 의해 기기가 일시적으로 오작동 되

는 정도로서 커다란 물적 작업 방해 피해를 유발하

지 않는 정도의 피해

품질 손상

- 기기 자체의 항구적 고장을 유발하는 정도는 아니

나, 기기를 이용한 사람의 작업에 큰 지장을 주거

나 기기의 처리 가공으로 얻어지는 성과 제품의 질

을 크게 떨어뜨리는 수준의 피해

고장

- 기기를 구성하는 주요 구성부품의 이탈, 접속부의

단절 파단을 초래하여 기기 자체의 수리를 요하는

중대한 피해

사람

및

가축

심리적 피해 - 신경이 쓰이기는 하나 참을만한 정도의 피해

생산성 저하

- 참기 어려울 정도의 심한 불안감 및 불쾌감을 유발

하는 정신적 피해를 일으키고 휴식여건 및 작업수

행 성과에 영향을 미침으로서 근무효율 및 생산성

을 크게 떨어뜨리는 수준의 피해. 가축의 경우는

불안을 유발하여 축산생산을 저하시키는 수준

생리적 피해

- 의학적으로 사람 및 가축의 생리상태에 직접적인

영향을 미쳐 육체적 건강을 해치는 수준의 피해.

가축의 경우는 수태불능 등의 중대한 축산피해

건축구조물에 대한 발파진동의 허용기준에 대한 각국의 기준들을

검토 하면 다음과 같다24). 미국의 경우 일찍부터 발파진동에 의한 지

43

상 구조물의 피해와 한계에 대하여 미 광무국(U.S. Bureau of

Mines)을 중심으로 광범위하고 체계적인 연구를 수행하였다. 1971년

에 발표된 결과를 요약하면 구조물에 미치는 피해는 진동의 크기를

변위로 측정하였을 때 주파수와 밀접한 관련을 가지고 있는 것으로

나타났으며, 진동속도에 대해 나타낼 경우 구조물의 피해와 그 정도

는 주파수의 영향을 거의 받지 않고 속도의 일정값으로 표시할 수

있는 것으로 보고되었다. 그 결과 진동속도 약 5cm/sec(2in/sec)를

일반 구조물에 대해 피해를 일으키지 않는 안전한계로 제시하였고

13.7cm/sec에서 작은 피해(Minor damage), 19.3cm/sec에서 큰 피해

(Major damage)가 발생한다고 보고하였다. 진동속도 5cm/sec의 손

상기준은 현장에서 일반적으로 적용되어 왔고 많은 기관에서 법적인

규제 기준으로 받아 들여졌다. 그러나 이 기준의 적용에 대해서도

계속 피해 시비가 끊이지 않아 1974년 발파진동해석에 대한 재해석

이 시도되었다. 주파수에 대한 구조물의 반응특성 및 손상에 초점을

두어 추가로 측정을 실시하고 그동안의 자료를 확률적인 해석기법을

적용하여 분석한 결과를 1980년에 발표(RI8507)하였으며21), <그림

3-4>와 <표 3-6>과 같다. 그 결과에 의하면 주파수 40Hz를 중심으

로 40Hz 이상의 진동주파수를 갖는 발파진동에 대해서는 5cm/sec가

그대로 안전기준치로서 적용될 수 있으나 40Hz 이하의 낮은 진동주

파수를 갖는 발파진동에는 손상 받을 확률이 높아 안전기준을

1.2cm/sec로 낮추어야 할 것이 보고되었다.

44

<그림 3-4> USBM의 제안22)

<표 3-6> USBM의 제안(RI8507, 1980)24)

구조물 형태안전 수준, in/sec

f < 40 Hz f > 40 Hz

Modern homes-drywall interiors 0.75 2

Older homes-plaster on wood

lath for interior walls0.5 2

미국의 노천채광청(OSM, Office of Surface Mining)은 노천 석탄

채광작업에 대한 안전기준으로 <그림 3-5> 및 <표 3-7>과 같이 좀

45

더 간단하고 실용적인 기준을 제시하고 있다.

<그림 3-5> OSM의 기준(30 CFR Parts 715, 780, 816, and 817)22)

<표 3-7> OSM의 기준(30 CFR Parts 715, 780, 816, and 817)22)

발파지점으로부터의

거리, ft

최대 진동 속도

(in/sec)

계측자료가 없을 경우 적용

scaled-distance factor

0 ~ 300 1.25 50

301 ~5000 1.0 55

5001 이상 0.75 65

미국은 주마다 적용 기준이 다르나 대부분 주거 가옥에 대하여

46

OSM과 USBM의 제안 기준을 기초로 각 주별로 허용 수준을 마련

하고 있다. USBM 기준을 채택하고 있는 주는 Alabama,

Massachusetts, New Jersey 주 등이며 OSM 기준을 채택하고 있는

주는 Illinois, Indiana, Iowa, Louisiana, Maryland, Montana, New

Mexico, Ohio, Pennsylvania, Utah 주 등이다.

Arkansas 주와 South Carolina 주는 1.0 in/sec의 허용수준을 설

정하고 있으며, Kentucky 주는 채석 및 건설작업에 2.0 in/sec를, 노

천 석탄광산에 OSM 기준을 적용하고 있다.

Alaska, Arizona, California, Colorado, Florida, Idaho, Nevada 주

등은 규제 기준을 갖고 있지 않는 것으로 조사되었다.

캐나다의 경우 발파진동 허용 수준은 연방, 주 및 지방 자치단체

에 따라 규제를 받고 있다. British Columbia(BC) 및 Alberta 주는

명시된 규제 기준은 없으나 광산 감독자가 상황을 판단하여 허용 수

준을 설정할 수 있다25). 대부분 미국 광무국 및 노천채광청의 지침을

따르는 것이 일반적이다.

Manitoba 주는 Manitoba Regulation 65/92와 Mines & Mineral

Act에 따라 규제를 받고 있다. 채석장 발파의 경우 주거용 건물에

대해서는 최대진동속도 1.2cm/sec, 기타 용도의 건물에 대해서는

5.0cm/sec를 허용 수준으로 하고 있다.

Ontario 주의 경우 NPC 119를 비롯해서 여러 종류의 규제 기준

이 있으며 광산 및 채석장 발파시 일상적인 계측작업이 이루어지지

않는 경우에는 1.0cm/sec를, 계측작업이 실시되고 있는 경우에는

1.25cm/sec를 허용 수준으로 설정하고 있다. 파이프라인과 관련 구조

물 건설을 위한 노천 굴착시의 발파진동 허용 수준은 온타리오주 표

준시방 (Ontario Provincial Standard Specification, OPSS 515)에 따

라 건물이나 구조물 인접 지반에서의 최대진동속도가 5.0cm/sec를

47

초과하지 않도록 하고, 콘크리트나 그라우팅 인접해서는 타설 후 60

시간 이내에는 1.0cm/sec를 초과하지 않도록 규제하고 있다.

Nova Scotia 주의 Halifax는 Halifax Regional Municipality

Bylaw B-600 Respecting Blasting에 <표 3-8>과 같은 허용 수준을

설정하고 있다.

<표 3-8> 캐나다 Halifax의 허용 수준25)

주파수 대역 최대 진동 속도 (cm/sec)

15 Hz 이하 1.25

16 ~ 20 Hz 1.9

21 ~ 25 Hz 2.3

26 ~ 30 Hz 3.05

31 ~ 35 Hz 3.3

36 ~ 40 Hz 3.8

41 Hz 이상 5.0

Ontario의 Hamilton 시와 Muskoka는 지상 구조물에 대해서 <표

3-9>와 같은 기준을 설정하고 있으며 매설물 상부에서는 5.0cm/sec

를, 콘크리트의 경우 타설 후 80시간 이내에는 1.0cm/sec를 초과하지

않도록 규제하고 있다.

48

<표 3-9> Ontario의 Hamilton시와 Muskoka의 지상 구조물에 대한 허용

수준24)

주파수 대역 최대 진동 속도 (cm/sec)

> 40 Hz 5.0

30 ~ 40 Hz 4.0

20 ~ 30 Hz 2.5

< 20 Hz 1.2

독일의 경우 1970년대 German Standard인 DIN 4150 Part

3(1971)에서 발파와 같은 충격진동에 대한 건축물의 허용 수준을 설

정하였고, 1986년 기존의 규격을 보완하여 주파수 특성을 고려한 수

정안을 마련하였다 (<표 3-10> 참조) (DIN 4150 Teil3, 1986).

49

<표 3-10> 독일의 충격진동(short-term vibration)에 의한 건물피해 기준

(German Standard DIN 4150 Part 3, 1986)24)

구조물 형식

진동속도, Vi, mm/sec

계측지점 :

기초

계측지점 : 최상층

바닥면

주파수

< 10

Hz

10 ~ 50

Hz

50 ~ 100

Hz

모든

주파수대

1. 상업지역 건물, 공장지역 건물

및 이와 유사한 건물20

20 to

4040 to 50 40

2. 주거용 건물 및 부속 건출물과

활용면에서 이와 유사한 건물5 5 to 15 15 to 20 15

3. 진동에 민감하여 1항 및 2항에

해당되지 않거나 특별히

보존가치가 있는 건축물

(예 : 역사적 기념물)

3 3 to 8 8 to 10 8

① vi : 건물기초 3방향 진동속도 중 최대치, 3 to 8 Hz 등의 진동속도는

비례적으로 변화하는 값.

② 측정방법 : 진동원과 직면한 건물의 가장 낮은 층의 기초내벽 또는 외벽,

지하실이 없는 경우는 지반 상부의 0.5m 이하 구조의

3방향에 대하여 동시 측정, 건물 최상층 슬래브의 중앙

z-방향.

③ 100 Hz 이상의 주파수에 대해서는 50 to 100 Hz의 주파수 범위의

규제치를 적용.

④ 동적 허용응력이 정적 허용응력의 10% 미만일 경우는 fatigue factor

3을 곱하지 않음.

⑤ 슬래브(floor) 진동허용 규제치는 수직방향 최대 진동속도 20mm/s 이하.

이 규정은 규제치 내로 준수될 때는 건물의 가치 하락

50

을 가져오는 손상을 야기하지 않는 기준으로 볼 수 있으며

<표 3-10>의 2항 및 3항에 해당되는 건축물에서 손상의

형태는 벽체 회벽에 균열이 형성되거나, 이미 존재하던 균

열의 확대 또는 내력벽이나 천장에 금이 가는 정도로 정의

하고 있다.

<표 3-10>의 기준 값은 피로 파괴를 고려하지 않은 수준의 충격

진동에 대한 것이며 높은 빈도로 발생하는 진동으로서 피로 현상을

일으킬 수 있거나 또는 연속적인 충격진동 및 구조물의 공진을 야기

하는 진동은 정상 진동으로 취급하여 별도의 기준을 정하고 있다.

표에 제시된 기준 값을 지켰을 경우 진동에 의한 원인으로 가치를

감소시키는 피해는 발생하지 않으며, 그래도 피해가 관찰되었다면

이 피해의 결정적인 원인은 다른데 있는 것으로 간주한다. 변경된

주요 내용은 다음과 같다.

1) 구조물을 4가지 형태에서 3가지 형태로 분류하였다.

2) 모두 최대 입자 속도를 척도로 하였으나 벡터합 진동

의 최대값에서 건물기초 3방향 진동 속도 중 최대치

로 변경하였다.

3) 주파수 대역을 새로이 고려하였으며 경계 주파수는

10 Hz, 50 Hz, 100 Hz로 하였다.

4) 계측 지점은 건물 기초 또는 건축물 최상부층 바닥으

로 하였다.

5) 주파수 대역에 따라 허용 수준을 0.2cm/sec ~

4.0cm/sec로부터 0.3cm/sec ~ 5cm/sec로 설정하였고

건물 최상부층 바닥에서의 측정값은 주파수에 관계

없이 8mm/sec ~ 40mm/sec의 허용수준으로 설정하

였다.

51

스위스의 경우 1978년 제정된 기준에 이미 주파수 대역이 고려되

어 있었으나 1987년부터 도로교통위원회 산하 “기초 및 기초 지층

(VSS)”전문위원회가 개정을 위한 작업을 시작하여 1992년 4월

Norm 640 312a를 승인 받았다.

<표 3-11> 및 <표 3-12>에서 보는 바와 같이 새 규정에서의 특

징은 고층 및 지하층에서의 “민감도 분류” 이며 “빈도 분류” 및 진

동 속도의 주파수에 대한 고려가 포함된 것이다. 이 규정의 적용 분

야는 발파에 의한 진동, 기계 진동, 모든 건설 장비 진동 및 도로와

철도 교통 진동들이 건물에 미치는 사항이며 진동 영향이 인간, 기

초, 건물 안에 있는 기계 등에 미치는 것을 포함한다. 주파수가 8 Hz

이하일 때는 보다 더 낮은 기준치를 적용하고 있다.

52

<표 3-11> 건축 구조물의 민감도 등급24)

민감도

등급고층 건축물 지하 건축물

(Ⅰ)

극히

민감도가

낮음

- 철근 콘크리트 혹은 철제

교량

- 철근 콘크리트, 콘크리트,

축벽으로 된 지지벽

- 견고한 암석 혹은 잘 다져

진 연암 내에 개착된 갱도,

터널, 지하공동, 수갱

(Ⅱ)

조금

민감함

- 철근 콘크리트의 상용 및

생산업체 건물, 대게의 경우

외벽에 몰탈 칠이 없음

- massive하게 지어진 사일로,

탑, 높은 굴뚝, 대개의 경우

몰탈칠, 철제 구조, 철책 기

둥이 없음

- 연약암반 내에 지하 공동,

터널, 수갱, 관로

- 지하 주차 시설

- 지표 가까이 설치된 각종

관로 (가스, 수도, 하수, 케

이블)

- 건식 축벽

(Ⅲ)

보통

민감함

- 콘크리트, 철근 콘크리트,

인조 건축벽돌로 조적된 주

거건물

- 조적 혹은 인공적 건축자재

에 몰탈칠로 된 사무실, 학

교, 병원, 교회 건물

- 저장소

- 주철배관

- 지하 동굴, 터널의 중간천장

및 차도용 포장

- 민감한 케이블

(Ⅳ)

대단히

민감함

- 회벽집

- 볼트식 구조물

- (Ⅲ) 등급의 건물이 개축 혹

은 새로이 단장된 건축물

- 역사적 보호 건물

- 오래된 납 케이블

- 오래된 주철배관

53

<표 3-12> 건축물에 대한 충격 진동 영향 기준치24)

민감도 등급 빈도 등급

최대 진동 속도 벡터 (VR) mm/s

주파수 대역

< 30 Hz* 30 ~ 60 Hz > 60 Hz**

(2)

작게 민감

가끔씩

자주

계속적

기준치: 민감도 등급(3)의 2배까지에 해당하는

값

(3)

보통으로

민감

가끔씩

자주

계속적

15

6

3

20

8

4

30

12

6

(4)

극히 민감

가끔씩

자주

계속적

기준치: 민감도 등급(3)의 값과 1/2수준 사이

의 값

*) 8 Hz 이하의 주파수에서는 최저 기준치를 적용

**) 150 HZ 이상의 주파수일 경우는 더 큰 값의 기준치를 적용할 수 있다

이 규정에서는 민감도로 네 등급을 설정했고 고층과 지하층을 구

분하였다. 분류에서 결정적인 기준이 되는 점은 구조물 각 부재의

민감도로써 건축 구조 양식 및 기타 요소, 예를 들어 건축 자재, 건

물 상태, 외벽 처리, 회칠 등으로부터 정해지는 것이다. 또한 진동의

빈도수에 따른 진동 영향을 세 등급으로 나누어 가끔씩, 즉 조사하

는 평가 시간 간격에서 영향수가 1,000보다 훨씬 작을 때와 자주, 계

속적, 즉 영향수가 100,000보다 훨씬 많을 때로 구분하고 있다. 주요

변경 내용은 다음과 같다.

1) 변경 전 4가지 등급으로 구분한 구조물의 형태는 변경 후에도

그대로 유지하였으나 민감도 등급을 부여하고 등급별 건축물

을 지상 및 지하 구조물로 구분하였다.

2) 교량, 터널, 지하 갱도, 수갱, 지하 저장소, 배관, 케이블 등의

54

구조물 및 시설물을 고려하였다.

3) 진동의 빈도수에 따른 진동 영향을 세 등급으로 구분하는 빈

도 등급을 부여하였다.

4) 주파수 대역은 개정 전 10, 60, 90 Hz 경계에서 개정 후 8, 30,

60, 150 Hz 로 변경하였다.

5) 주파수 대역 및 빈도수에 따라 허용 수준을 개정 전 0.8cm/sec

~ 4.0cm/sec로부터 개정 후 0.15cm/sec ~ 9cm/sec 범위로 하

였다.

영국의 경우 영국은 British Standard인 BS7385 Part 2(1993)에

발파를 포함한 다양한 진동원에 의한 건물의 손상 발생 가능성을 평

가하는 지침을 제공하고 있다26). 이 기준은 미광무국 등 국외 사례와

영국 내의 광범위한 사례를 분석하여 작성하였다고 기술되어 있으며

지침서를 요약하면 <표 3-13> 및 <그림 3-6>과 같다. 이 <표

3-13>에 설정된 수준은 건물 벽에 실금이 발생하는 정도의 손상

(cosmetic damage)에 대한 것이며 minor 손상은 이 수준의 2배 이

상, 건물의 구조적 손상이 발생하는 major damage는 4배 이상의 수

준으로 평가하고 있다.

55

<표 3-13> 다양한 진동원에 의한 건물의 손상 발생 가능성 평가

지침서(BS7385: Part 2, 1993)24)

Line on

GraphType of Building

Peak component particlevelocity in frequency ofpredominant pulse

4 to 15 Hz15 Hz andabove

1

Reinforced of framedstructuresIndustrial and heavycommercial buildings

50 mm/s at4 Hz andabove

2

Unreinforced or light-framedstructuresResidential or lightcommercial typebuildings

15 mm/s at4 Hzincreasing to20 mm/s at15 Hz

20 mm/s at15 Hzincreasing to50 mm/s at40 Hz andabove

NOTE 1. Values referred to are at base of the building.NOTE 2. For line 2, at frequencies below 4 Hz, a maximum displacementof 0.6mm (zero to peak) should not be exceeded

<그림

3-6> BS7385의 허용 수준24)

56

영국 기준의 특징은 다음과 같다.

1) 건물 형태를 2 등급으로 하였으며 건물 기초에서 측

정한 진동의 세 성분 중 가장 큰 성분의 속도로 수

준을 설정하였다.

2) 주파수 대역을 4, 15, 40 Hz를 경계로 하여 cosmetic

damage에 대한 허용 수준으로 1.5cm/sec에서

5cm/sec의 범위를 설정하였다.

3) Minor damage는 이 수준의 2배 이상, major damage

는 4배 이상으로 평가하고 있다.

스웨덴의 경우 스웨덴 표준 SS 460 48 66(Vibration and shock -

guidance levels for blasting induced vibration limits)은 1989년에

승인되어 1991년 개정되었으며, 건축물 및 터널에 인접한 발파 작업

에 대해 50여년의 경험적 결과에 기초하고 있다고 기술하고 있다27).

건축물에 영향을 주는 발파진동 수준을 결정하는데 큰 도움이 되며

인체 혹은 진동에 예민한 장비 시설은 고려하지 않고 있다. 세 성분

의 진동속도 값을 계측하여야 하며 건물의 기초지반에서 계측하도록

규정한다.

허용 수준의 기준이 되는 값 는 다음 식과 같이 규정한다.

(7)

여기서 : 보정되지 않은 최대 진동속도 (mm/s)

: 건축물의 품질 계수로

즉 건물 계수와 건축재료 계수의 積

으로 표시

: 거리 계수

57

: 발파작업의 작업 기간을 표현하는 계수

허용수준을 결정하는 인자들의 값은 다음의 <표 3-14>∼<표

3-17>에 의해 결정하여 계산된다.

<표 3-14> 보정되지 않은 진동속도 27)

지반의 형태 (mm/s)

다져지지 않은 토질(빙퇴석, 모래, 흙) 18

다져진 토질, 셰일, 연약 석회석질 35

화강암, 편마암, 석회암, 규암, 사암, 휘록암 70

<표 3-15> 건축물 계수, 27)

등급 건물 형식 혹은 건축양식

1 중량급 건축물, 교량, 부두, 민간방호용 구조물 1.70

2 산업 및 상업용 건물 1.20

3 주거용 건물 1.00

4 고가아치 또는 스팬이 큰 민감한 건물, 교회, 박물관 0.65

5 상태가 좋지 않은 역사적 건축물 0.50

<표 3-16> 건축재 계수, 27)

등급 건축자재

1 보강 철근 콘크리트, 철골 1.20

2 무근 콘크리트, 벽돌 1.00

3 경량 골재 콘크리트 0.75

4 인조 석재 벽돌 0.65

58

<표 3-17> 공사기간 계수, 27)

발파작업 형식

터널 굴착, 도로 굴착을 위한 발파 등 건설 작업 1.0

채석, 광산 작업 0.75 ~ 1,0

스웨덴 기준의 주요 특징으로서 다른 기준들과 차이점

은 다음과 같다.

1) 건축물의 기초 지반의 형태를 3종류로 구분하여 고려

하고 있다.

2) 건축물의 부재 종류를 4종류로 구분하여 고려하고 있

다.

3) 지반에 따라 감쇠하는 특성을 거리계수를 이용하여

반영하고 있다.

4) 공사기간을 고려하고 있다.

호주의 경우 호주는 관련 기관 및 작업 형태에 따라 다양한 기준

들이 적용되고 있지만 가장 표준화된 기준으로서 Australian

Standard AS 2187.2 (1993)에 각종 건설 작업 시에 표준이 되는 허

용 수준이 설정되어 있다(<표 3-18> 참조). 이 기준은 건물 형태를

3등급으로 하여 주파수에 관계없이 0.2cm/sec에서 2.5cm/sec의 범위

를 허용 수준으로 설정하고 있으나 현재 주파수를 고려한 기준으로

개정 중에 있다28).

59

<표 3-18> 호주의 건설 작업 시에 표준이 되는 진동 속도 허용

수준(2005년 2월 현재 개정 작업 중) Australian Standard AS 2187.2,

1993)24)

건물 형태진동 속도,

Vp(cm/sec)

1. 유적, 문화재, 특별한 가치가 있는 건물 0.2

2. 주택, 저층 주거용, 아래 3 항에 포함되지 않는 상업용 건물 1.0

3. 상업용 및 산업용 건물 또는 RC 구조물 또는 철골 구조물 2.5

Queensland의 경우에는 주파수 특성을 고려하여 35 Hz

이상의 경우 최대 진동 속도 2.5 cm/sec, 35 Hz 이하의 진

동에 대해서는 1.0cm/sec의 허용 수준을 적용하고 있다.

브라질의 경우 규제 기준 NBR 9653은 도심지에서의 광산 및 채

석 발파에 의한 영향을 평가하기 위한 지침이다. 1986년 Committee

of the Brazilian Associate of Technical Norms에 의해 작성되었고

2005년 2월 현재 개정 작업 중에 있다29). 현재 설정되어 있는 CE

18.205.02의 허용 수준은 주파수와 건물의 형태 에 관계없이 최대 진

동 속도 1.5cm/sec를 허용 수준으로 하고 있다. 현 기준의 개정판은

영국의 BS7385와 유사한 형태가 될 것으로 알려져 있다.

2-3) 지반진동이 인체 및 가축에 미치는 영향

<그림 3-7>은 발파진동에 대한 인체의 감응곡선을 나타낸 것으

로 동일 지반진동속도에서도 노출시간에 따라 인간의 감응정도가 다

르다는 것을 알 수 있다.

인체반응이 건물의 피해반응과 다른 점은 진동 주파수 2Hz∼

600Hz의 범위에서 건물의 피해 반응은 30Hz 이하 저주파로 갈수록

허용한계가 낮아져 민감한데 비하여 인체감응은 주파수가 증가할수

60

록 민감하여 불편을 느끼는 진동속도가 낮아진다. 또한 0.5cm/sec의

지반진동속도에서 인체는 진동을 심하게 느끼나 건물에는 피해가 없

으며 2.0cm/sec에서 사람은 건물이 무너질 듯한 느낌을 받지만 건물

에는 피해가 없거나 가벼운 피해가 생긴다.

<그림 3-7> 발파진동에 대한 인체의 감응곡선6),30)

우리나라에서는 인간뿐만 아니라 가축에 대해서도 발파진동 및

소음의 피해에 대한 기준에 제시된 적이 있는 데 젖소, 한우, 돼지,

닭, 개, 사슴, 곰, 염소 등에 대하여 유생산성저하, 성장지연, 유산 혹

은 사산, 번식효율저하, 폐사율증가, 산란율 저하, 수태율저하, 녹용생

산성저하 등 다양한 요인에 대하여 0.01-0.02 kine, 0.02 – 0.05 kine,

0.05 –0.1 kine, 0.1-0.5 kine, 0.5-1.0 kine 등 다섯구간의 진동속도에

대하여 피해정도를 산정하였다31). 세계적으로 아직 발파진동이나 소

61

음이 가축의 생체에 미치는 영향에 대하여 조사연구 된 보고는 별로

없고 이 자료가 유일하다. 실제로 이 기준은 실제 고속철도 터널 공

사나 건설 공사의 축산농가의 피해 보상에 많이 활용 되었다. 그러

나 저자의 견해로는 가축의 경우도 인체에서와 같이 진동 주파수에

크게 영향을 받을 것으로 생각 되며 여러 종류 가축의 생체 반응을

여러 단계의 진동속도에 대하여 정량화 시킬 수 있는지에 대하여 많

은 의문의 여지가 있다.

3) 유럽과 미국의 지열발전 프로젝트에서 발생하는 미소지진에 대한

연구와 대처

3-1) 유럽의 지열발전 프로젝트에서 미소지진발생에 대한 조사연

구 사례

Evans 등은 1969년부터 2008년 사이에 유럽 각국에서 수행 된

41개 지열 발전과 이산화탄소 지하저장 프로젝트에서 수리자극의 압

력수 주입에 의한 미소 지진반응을 기술한 사례를 정리 조사 하였다32). <그림 3-8>은 자연지진 발생 위험지수를 최고지반진동속도(peak

ground acceleration, PGA)의 색깔로 대상 프로젝트의 위치와 함께

표시한 것이다.

62

<그림 3-8> 대상 프로젝트 위치에서의 자연지진 발생 위험지수32)

이 자료는 총 41개 프로젝트의 심도, 암종, 응력상태, 자연지진 발

생 위험지수(과거 50년간 지진발생 중 10%의 확률을 가진 최대진동

가속도의 중력에 대한 %), 주입형태(Stimulation, Injection test,

Circulation), 최대유량, 최대압력, 총 주입유량, 주입정과 생산정의 간

격 등의 자료를 정리 하여 압력수 주입에 의한 미소지진 발생 위험

거동의 요인을 규명하기 위해 활용되고 있다. 그 결과 아래의 주요

한 결론이 도출되었다.

1. 일반적으로 사암, 석회암 등 퇴적암 지역에서의 수리자

극이 화강암, 현무암, 편마암 등의 결정질 암층에서보다

지진이 적게 발생한다.

63

2. 두 암반층 모두 주입정 부근에 수직 수평으로 상당한 거

리로 수압이 침투할 수 있는 단층이 존재가 미소지진의

발생을 증가 시키는 것으로 나타났다.

3. 결정질 암반에 주입되는 모든 경우 비록 피해가 없는 규

모 일지라도 미소지진이 발생하였다.

4. 모든 결정질 암반은 주입에 의한 지진반응의 강도에 관

계없이 한계응력 상태에 있는 것으로 판명 되었다.

5. 이들 자료는 한계응력상태가 지진을 발생하는 필요조건

은 되지만 충분조건은 아니라는 것을 제시한다.

6. 이 연구에서 고려된 자료는 보다 깊은 결정질 암층에 주

입하는 것이 더 큰 규모의 지진을 일으키는 경향이 있다

는 개념이 성립하기는 충분하지 않다.

7. 자료가 너무 적어 미소지진의 규모에 깊이와 유량의 양

자의 영향을 평가하기 어렵다.

8. 자연지진의 발생이 낮은 곳, 즉 50년간 발생한 지진 중

최대 진동 가속도가 0.07g 이상이 될 가능성이 10% 이하

인 곳에서의 주입은 감지할 수 있는 진동을 일으키지 않

는 것으로 나타났다.

9. 이 결과는 비록 데이터베이스가 한정 되지만, 0.07g이하

의 낮은 자연지진 발생 지역에서의 압력수 주입이 감지

되거나 피해를 주는 진동을 발생 할 가능성이 낮다는 유

용한 지표가 될 수 있다. 그렇다고 높은 값이 반드시 높

은 경향을 나타내는 것은 아니다.

이상의 중요한 결론은 포항 EGS지열발전의 수리자극의 지반진동

발생을 예측 하는데 큰 도움이 될 수 있다.

64

이들 41개 프로젝트 중 스위스 바젤 프로젝트의 EGS 수리자극에

서 최대 진도 3.4의 미소지진의 발생으로 프로젝트가 중단 된 사례2)

는 앞으로 우리나라 포항 프로젝트를 수행하는데 큰 교훈이 될 수

있다.

바젤 지열발전 프로젝트는 EGS기술로 개발한 심부지열에너지를

이용하여 바젤 지역의 전력공급과 지역난방을 하기 위한 열병합발전

프로젝트로 계획되어 추진되었다.

개발 방식은 세 시추공 방식(Triplet System)으로 한 개의 주입공

과 두 개의 생산공으로 설계되었다. 목표심도는 생산공과 주입공 모

두 5,000m로서 주입공에 90℃온도인 100 l/s의 물을 재주입하고 2개

의 생산공에서 200℃온도인 50 l/s의 지열수를 각각 순환생산하여 시

간당 6MW의 전기와 17MW의 열을 생산하는 것을 목표로 하였는데,

이 경우 연간 31GWh의 전기와 48GWh의 열생산이 가능할 것으로

예상하였다. 이 프로젝트는 2005년 3월부터 약 1년 동안 모니터링시

스템 설치 및 테스트 등의 준비기간을 거쳐 2006년 4월 중순부터 시

추를 시작하여 145일 만에 첫 번째 시추공인 Basel 1의 5,009m 심도

시추에 성공하였고 200℃의 지열원을 확인하였다. 목표심도의 수리

자극(수압파쇄)를 위하여 4,627m까지 케이싱을 설치하였다.

인공적인 저류층 형성을 위해 수압파쇄를 실시하였는데, 2006년

11월 23일부터 26일까지 최고 73.8bar의 압력과 분당 최대 9.94 l의

수량으로 예비 수압시험을 성공적으로 실시하였고 2006년 12월 2일

부터 본 수압시험을 실시하여 최고 296bar의 압력과 최대 3,750

l/min의 유량으로 주입하는 도중 12월 8일 진도 2.6의 지진이 관측되

면서 미소지진 안전관리 시스템(Microseismic safety management

system)에 따라 즉시 주입공을 폐쇄하여 유량과 압력을 감소시켰으

나 1시간 후에 진도 3.4의 지진이 추가로 발생함으로써 수압파쇄(수

65

리자극이)작업이 중지되고 예정되었던 Basel 2의 시추도 잠정 중단

되었다. 그 후 바젤시 주변 인근 국가들인 스위스, 독일, 프랑스 3국

의 관련 전문가로 구성된 SERIANEX(Trinational Seismic Risk

Analysis Expert Group)에서 3년간의 조사를 거쳐 바젤 지열발전

프로젝트의 위험도를 분석한 결과 프로젝트를 계속 추진할 경우 바

젤시 주변의 단층이 자극을 받음으로써 개발단계에서 30번(그 중 9

번은 진도3.4 수준 또는 그 이상), 30년간의 운영기간에서 최소 14번

에서 최대 170번에 이르는 지진이 발생할 우려가 있으며 최대진도는

4.5의 가능성이 있는 것으로 예상되어 바젤 지열발전 프로젝트는 완

전히 중단하는 것으로 결정되었다.

바젤지열발전 프로젝트에서 수립한 미소지진 안전 관리 시스템을

살펴보면 SED(Swiss Seismological Service)와 주 감독관청에서 측

정한 정보를 기준으로 Magnitude는 2.3미만에서부터 3.5초과까지의

5단계, 최대 지반 진동속도 (PGV:Peak Ground Velocity)는 0.5mm/s

미만에서부터 5.0mm/s초과까지의 4단계, 대중의 진동감지는 아무도

알지 못하는 상태부터 일반적으로 대부분 인지하게 되는 단계까지의

5단계 중 어느 한 가지라도 나타나면 <그림 3-9>의 절차에 따라 프

로젝트 팀 및 감독관청에 대한 보고와 주민들에게 관련정보를 웹페

이지와 SED경보시스템을 통해 언론에 공표하는 동시에 현장에서는

압력과 유량을 즉시 조절하고 모니터링을 강화하도록 매뉴얼화되어

있다2). 이러한 관리 시스템의 최대 지반 진동속도(PGV)의 분류기준

은 앞장에서 설명한 스위스의 발파진동의 건축 구조물에 대한 허용

기준(Norm 640 312a)에 의하여 만들어 진 것을 알 수 있다. 표 12의

민감도(3)등급 건축물에 대하여 주파수 30Hz이하에서 빈도등급 자주

의 경우 최대 진동속도 허용기준은 6mm/s, 빈도 계속적 등급에서는

3mm/s 이다. EGS 수리자극에서 발생하는 미소지진의 주 주파수대

66

역에 대한 연구 자료는 갖고 있지 않으나 표1에서 설명한 바와 같이

자연지진의 주파수범위 0.1Hz∼10Hz, 대규모 노천채굴 발파에서 주

파수범위가 약 10Hz∼40Hz 임을 고려 할 때 그중간 범위, 약 10Hz

∼30Hz로 추정 할 수 있다. 따라서 바젤 프로젝트의 미소지진 안전

관리 시스템에서는 최대 허용기준 PGV를 5mm/s로 하여 그 이상의

미소지진이 발생하면 주입주입을 중단하고 주입압을 최소압력으로

감소시키는 조처를 취하도록 되어 있다. 또한 사람이 진동을 거의

인지 할 수 없는 PGV 값, 0.5mm/s 이하의 미소지진에서는 정상조업

으로 압력주입을 계속하며 0.5mm/s – 2.0mm/s 범위에서는 압력주

입은 계속하되 유량을 증가시키지 않으며 2.0mm/s – 5.0mm/s 범위

에서는 주입압력 속도를 감소시켜 수리자극압력 이하의 압력으로 유

지하던지 압력 주입을 중단 하는 조치를 취하도록 하였다.

<그림 3-9> 바젤지열발전 수리자극시의 미소지진 안전관리 시스템2)

67

3-2) 미국 연방 에너지부의 지열발전 유발지진(Induced

Seismicity)에 대한 대처

미국 에너지부(US Department of Energy)는 EGS 지열발전을 개

발하여 2050년에 미국 전기수요의 10%인 100 GWe의 지열 발전 계

획(MIT 연구)을 수립 하여 3800만 달러의 연구비를 투입 하고 있다33).

에너지부 지열개발 부서는 1970년대부터 지열개발에서 발생하는

유발지진에 대한 연구를 해 오고 있다2). 그 경과를 보면 유발지진은

인공지열발전과 자연 지열발전 모두에서 경험 하고 있으며 유발지진

문제로 최근 사업이 중단 되거나 지연된 경우가 있었다. EGS 활동

이 증가함에 따라 미소지진 발생이 해당분야 종사자에게는 물론 지

역 주민에게도 문제가 될 수 있다는 점을 인식하여 2004년 IEA와

EGS와 관련된 환경문제를 다루는 국제협약에 참여 하였다.

<그림 3-10>은 1995년 11월부터 1997년 10월까지 SE Geysers

프로젝트의 수리자극에서 지진규모 2.0 이상의 유발지진의 발생을

보여주고 있다.

68

<그림 3-10> 지열발전시스템에서 발생한 유발지진34)

EGS 미소지진 발생의 가설요인으로 공극수압에 의한 유효응력의

변화, 열응력, 침하와 융기에 의한 체적변화, 단층면의 화학적 반응,

응력 확산, 생산정 유발, 주입정 유발 등을 들고 있다.

2012년 발간된 EGS 지열발전 유발지진문제에 대처하는 규약이

미국 에너지부에 의해 발간되었으며 미소진동 대처의 단계를 다음

과 같이 정리하고 있다34).

1단계: 사전조사실시 (Perform a preliminary screening

evaluation)

2단계: 지역주민들과의 대화 프로그램 실행(Implement an

outreach and communication program)

3단계: 지반진동 및 소음에 대한 사전 검토 및 허용한계 설정

(Review and select criteria for ground vibration and

69

noise)

4단계: 모니터링 시스템 구축 (Establish seismic monitoring)

5단계: 자연지진 및 유발지진에 따른 대한 피해 위험도 정량화

(Quantify the hazard from natural and induced seismic

events)

6단계: 유발지진에 따른 피해 확률 산정 (Characterize the risk of

induced seismic events)

7단계: 피해 확률에 기반한 예방계획 수립 (Develop risk-based

mitigation plan)

4) 포항 EGS 지열발전의 수리자극에 의한 지반진동의 안전관리 기

준 제안

현재 국내 포항에서 5km 이내 심도에서 발전이 가능한 심부지열

자원을 탐사하여 MWe급 EGS지열발전 기술개발에 관한 연구가 수

행 중에 있으며 이 연구과제에는 심도 4∼5km의 시추공에서 저류층

생성을 위한 수리자극(Hydraulic Stimulation) 또는 수압파쇄

(Hydraulic Fracturing) 기술의 연구도 포함되어 있다. 포항 EGS 수

리자극 대상 암반이 결정질 암석인 화강암 지층이므로 앞서 고찰한

유럽지역 41개 프로젝트의 사례 연구 결과에서 제시 된 바와 같이

결정질 암반에 주입 된 모든 프로젝트에서 비록 피해가 없는 규모

일지라도 미소지진이 발생하였다는 사실로 미루어 수리자극 시험을

수행하기에 앞서 이에 대비한 미소지진에 의한 지반진동의 안전관리

시스템을 마련하여야 할 것이다. <그림 3-11>은 부지주변 주요시설

및 마을까지의 위치를 보여주고 있다.

70

포항EGS 수리자극의 지반진동 관리지침 마련함에 있어 2장에서

설명한 발파진동과 EGS수리자극 지반진동의 진동특성의 비교 및 각

국의 발파에 지반진동의 허용 기준들이 중요한 자료가 될 것이다.

따라서 저자는 포항 부지 주변은 전답지대로서 한동대학교(700m 거

리) 이외에는 주요 민가나 건축물이 별로 없는 점과 수리자극 지반

진동이 30Hz 이하의 저주파 진동 인 점 등을 고려 할 때 건물에는

피해가 없으나 인체가 불쾌감을 느끼기 시작하는 최대 진동 속도

(PGV) 0.5 cm/s (ML=2.9)을 하한 기준으로 하여 그 이하에서는 수

리자극의 정상 작업을 시행하고 PGV, 2.0cm/s(ML=약4.0)을 상한으

로 하여 그 이상에서는 수리자극의 주입을 중단 하고 주입공의 최소

압력으로 감압 할 것을 내용으로 하는 <표 3-19>를 제안한다. 스위

스 바젤에서 사용된 스위스의 허용기준은 세계에서 가장 엄격한 기

준이며 우리나라에서 사용된 기준들도 지나치게 보수적으로 설정 되

어 있는 점 등을 고려 할 필요가 있다.

<그림 3-11> 포항 EGS Site 주변

71

<표 3-19> 포항 EGS 수리자극에 의한 지반진동의 관리기준의 제안

진동의 기준범위 수리자극의 허용기준

PGV <0.5cm/s

ML < 2.9정상작업, 주입 계속

PGV < 0.5-1.0cm/s

ML > 2.9-3.5

시추감독관에 통보

주입은 계속하되 유량은 증가시키지 않는다

PGV > 1.0cm/s-2.0cm/s

ML > 3.5-4.0

시추감독관에 통보, 주입 속도를 낮추어 주입정

압력을 수리자극압력이하로 유지 하거나 주입

중단, 수리자극압력 감압

PGV > 2.0cm/s

ML > 4.0

시추감독관에 통보, 주입중단, 주입정 압력 최소

로 유지

이와 같이 발파진동의 허용기준을 자료로 EGS 수리자극의 지반

진동 관리 기준을 만들 수가 있으며, 특히 발파에 의한 지반진동이

①진동을 일으키는 에너지원인 화약의 중량과 폭원과 시설물과의 거

리를 정확하게 조절 할 수 있고 ②안전 발파설계를 할 수 있는 지발

당 최대 장약량()과 폭원으로부터 대상 시설물까지 거리(), 최대

허용 진동속도()와의 설계경험식이 실증 확립 되어 있으며(식

(8)~(9)) ③사전에 같은 부지에서 수평거리와 소규모 장약량에 의한

환산거리에서 최대 진동속도 측정하는 시험발파를 통하여 안전발파

설계가 가능하며 ④컴퓨터 자동설계 상용 소프트웨어까지 개발되어

있다12-13),15).

(8)

log log (9)

72

여기서 와 은 지질암반조건 및 발파조건 관련 상수, 는 1/2 또

는 1/3,

는 환산거리(SD)이다. 계측을 하지 않는 현장의 발파

설계 진동식은 자승근 환산거리를 사용할 경우와 삼승근 환산거리를

사용할 경우로 나뉘며 식(10)~(11)과 같이 제안되고 있다6).

(10)

(11)

이에 비하여 수리자극에 의한 유발지진(Induced Seismicity)의 지

반 진동은 ① 발생 메카니즘이 확실 하지 않아 에너지의 크기와 발

생위치, 규모 등을 사전에 예측하기 어렵고 ② 사후 모니터링을 통

하여 위치 규모 등이 파악 되나 ③제어방법이 수리자극의 주입압력

과 유량으로 발생 에너지의 크기와 직접 관계가 없고 간접적인 매개

변수이며 ④에너지원의 심도가 깊고 진동의 전파경로가 지하 수직으

로 복잡하여 지진의 규모와 거리에 따른 진도와의 관계식을 시험 등

으로 결정하기 어렵다.

73

<그림 3-12> 공극수압의 작용에 따른 절리면의 미끄러짐이 발생하는

현상35)

<그림 3-12>는 초기응력 상태에 있는 암석 절리면에 공극수압이

작용 할 경우 유효응력에 의하여 절리면에 미끄러짐이 발생하는 암

석역학적현상을 도시하였으며 초기 주응력과 절리면의 경사각, 절리

면의 내부 마찰계수, 절리면의 점착강도 등을 알면 미소진동이 일어

나는 수압을 구할 수 있다35).

이 유효응력의 원리에 의해 깊은 시추공에 압력수를 주입 하여

지진이 발생하는 현상을 설명 하거나 활성단층 부근에서 인공 저류

층 형성을 위한 수리자극에서 유발지진을 일으키는 현상을 설명하

는데 적용 될 수 있다 그러나 이 경우도 수리자극 암반의 초기응

력, 단층의 방향, 마찰 특성을 알아야만 한다.

74

그러므로 EGS 지열개발에서는 ①과거 최소 50년간 이상의 지진

발생기록을 검토하고 물리 및 시추탐사, 지질조사 등을 통하여 활

성단층의 유무, 불연속면 발달상황 등을 조사하고 ②미소지진의 계

측 시스템을 철저이 하여 불연속면을 따라 전파하는 인공 균열대 추

적과 미소지진의 규모와 최대 진동속도(PGV)의 크기를 실시간으로

계측하여야 한다. 또한 ③사전에 지역주민과의 소통체계를 구축하여

사후 소통을 원활하게 하며 ④사후 만일의 피해 조사에 대비하여 미

리 영향권 내의 건물 및 시설(문화재, 병원, 주거, 상업 및 산업시

설)의 균열 등 안전실태조사, 주민(임산부, 병약자), 가축 등의 실태

조사 등을 해 두기를 제안한다.

75

제4장

결론

○ 현재 우리나라에서는 MWe급 EGS지열발전 상용화기술개발에

관한 연구가 수행 중에 있으며 이 연구에는 심도 4∼5km의 시

추공에서 저류층 생성을 위한 수리자극기술개발이 대단히 중요

하다. 이 연구에서는 EGS 지열발전의 국내외 기술 및 연구

동향을 심층 분석하고 지열 저류층을 생성하기 위한 수리자

극에 따른 지반진동이 지상구조물과 환경에 미치는 영향에

대하여 분석하여 그 안전관리 방안을 제시 하였다.

○ EGS 지열발전 국외기술동향에서는 ①세계 지열발전 설비용량

및 지열발전량 ②EGS 지열발전 건설사례와 미국을 위시한

주요국의 연구계획 ③지열발전프랜트 설비제작 및 주요제작

사들의 2000년 이후 시장 점유율 등의 분석 자료를 제시하

였다.

○ 국내기술 연구동향에서는 ①심도별 국내지열탐사 현황과 심부4

∼5km에서 섭씨 150도 이상 지열지역 ② EGS 지열발전 상용

76

화기술 연구대상 지역인 포항 부지의 지하 4∼5km까지의 대심

도 시추기술의 도입과 시추 탐사현황 ③ 국내 지열발전 프랜

트 제작 기술 등의 분석 자료를 제시하였다.

○ EGS 지열발전의 수리자극에 의한 미소지진의 발생과 이에 의

한 지반 진동이 지상시설물과 인체 환경에 미치는 영향을 발파

진동의 시례를 통하여 검토 하였다. 즉 발파진동, 자연지진,

EGS 수리자극 진동에 대하여 진동특성을 비교하여 EGS 수리

자극 진동의 주파수, 진동파형, 지속시간 등이 발파진동과 자연

지진의 중간에 속하여 발파진동의 최대진동속도(PGV)와 지진

규모(Magnitude)를 수리자극 진동에 적용 할 수 있음을 밝히

고 국내외 발파진동의 건축 구조물에 대한 허용기준과 인체 및

가축에 미치는 영향에 대하여도 검토 분석 하였다.

⃝ 과거 40년간 유럽 41개 지열 발전 프로젝트의 미소지진 발생

사례 분석 연구결과 특히 EGS 수리자극의 유발지진으로 프로

제트가 중단 된 스위스 바젤 지열발전의 사례를 검토 하였다.

또한 미국 에너지부의 EGS 수리자극에 의한 유발지진에 대처

하기 위한 2012년 규약을 소개하여 포항 EGS 수리자극의 안

전관리에 도움이 되도록 하였다.

⃝ 이상의 검토를 통하여 포항 EGS 지열발전의 수리자극에 의한

지반진동의 안전관리 기준을 수립하는데 기초자료 되는 중요

한 사항, ①수리자극 지반진동의 허용기준 설정 ②허용기준을

77

적용함에 있어 발파진동의 경우 안전발파 설계를 통하여 사전

대처가 가능하나 수리자극 진동의 경우 실시간 계측을 통하여

사후 안전관리의 중요성과 그 사전대처방안 등을 제안하였다.

78

참고문헌

1. 녝스지오, 2012,신재생에너지융합원천기술개발(1단계보고서), 지식

경제부

2. 이상돈, 2013, Basel EGS Project의 미소진동관리 사례연구, 한국

암반공학회, 제23권, 6호, (페이지 추후 기입요)

3. 류창하, 이정인, 1979a, 발파작업에 의한 지반진동이 지상구조물에

미치는 영향에 관한 연구 - 동양시멘트 삼척공장 석회석 노천채

석장을 중심으로 - , 대한광산학회지, 16권 1호, p.41-50.

4. 류창하, 이정인, 1979b, 순발 및 MS 지발발파에 의한 지반진동에

관한 연구, 대한광산학회 제33회 학술발표회, p.14-15.

5. Lee, C.-I., Ryu, C.-H., 1992, Measurement and control of

ground vibration from rock blasting, Proc. of the International

Symposium on Impact Engineering, Sendai, Japan, Vol. 2,

p.710-715, .

6. 이정인, 1993, 발파진동, 발파풍압 및 비석의 조절을 통한 안전발

파, 대한토목학회지, 41권 1호, p.99-117.

7. Lee, C.-I., Shin, I.-J., 1997, The Characteristics of

Blast-Vibration in Tunnel Blasting and the Vibration Control

by Delay Time, Asia-Pacific Vibration Conference '97, Kyongju,

Korea, p.1240-1245.

8. 김광염, 최영민, 이정인, 1999, 터널발파 패턴설계 자동화 프로그

램의 개발에 관한 연구, 한국암반공학회 1999년도 학술발표회,

서울대학교(99.3), p.51-54.

9. 신일재, 이정인, 1999, 발파진동이 양생중인 라이닝 콘크리트에 미

치는 영향에 관한 연구, 한국암반공학회 발파기술 세미나, 서울

79

대학교(99.10), p.119-134.

10. 신일재, 이정인, 백종현, 2001년 3월, 최소저항선이 발파진동의

크기에 미치는 영향에 관한 실험연구, 화약․발파(대한화약기술

학회 논문집), 제 19권, 제 1호, p.53-61.

11. Shin, I.-J. and Lee, C.-I., 2001, Effect of blast-vibration on the

strength of curing lining concrete, ISRM International

Symposium 2nd-ARMS 2001, Beijing(China), 597-600.

12. 김태형, 이정인, 2002, 터널 발파패턴 설계의 자동화를 위한 설계

변수의 정량적 표현에 관한 연구, 2002년 한국암반공학회 춘계학

술발표회 논문집, 서울대학교, (2002.03), p.55-63.

13. Lee, C.-I., Jong, Y.-H., Kim, T.-H., Choi, Y.-K. and Jeon, S.,

2002, Development of an automated design program for tunnel

blasting, Journal of the Japan Explosives Society, Vol. 63, No.

6, p.309-315.

14. Jong, Y.-H., Lee, C.-I., 2004, Influence of geological conditions

on the powder factor for tunnel blasting, International Journal

of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 41, No. 3,

Pergamon Press, p. 461.

15. Lee, C.-I., Jong, Y.-H., Jeon, S., Choi, Y.-K. and Kim, H.-S.,

2005, The Computerized Design Program for Tunnel Blasting,

Proc. of the 31th Annual Conference on Explosives & Blasting

Technology, Orlando, USA. (2005.02.06.-09.), Vol. 1, p. 159-168.

16. 정용훈, 이정인, 최용근, 2006a, 발파진동에 대한 인접한 지상 저

장탱크의 안정성 평가, 한국소음진동공학회논문집, Vol. 16, No.

1, p. 19～26.

17. 정용훈, 이정인, 2006, 단일공 발파에서 생성된 균열망에 작용하

80

는 가스압의 수치해석적 산정, 한국암반공학회지(터널과 지하공

간), Vol. 16, No. 5, p. 413~421.

18. 정용훈, 전석원, 이정인. 2006b, PFC2D에서의 발파에 의한 파괴

메커니즘의 수치적 모델링, 한국암반공학회(터널과 지하공간),

Vol. 16, No. 6, p. 476~485.

19. Stagg, M.S. and Engler, A.J. 1980, Measurement of Blast

Induced Ground Vibrations and Seismograph Calibrations,

Report of Investigations 8506, U. S. Bureau of Mines,

Washington, DC.

20. Dowding, C.H. 2000, Construction Vibration, ISBN

0-9644313-1-9. pp28-36.

21. Siskind, D.E., Stagg, M.S., Kopp, J.W. and Dowding, C.H.

1980, Structure Response and Damage Produced by Ground

Vibrations from Surface Blasting, Report of Investigations

8507, U. S. Bureau of Mines, Washington, DC.

22. Oriard, L.L. 2002, Explosives Engineering, Construction

Vibrations and Geotechnology, International Society of

Explosives, pp201-207, pp543-601.

23. Japan Meteorological Agency,

http://www.jma.go.jp/jma/en/Activities/inttable.html, 방문일:

2013년 11월20일

24. 류창하, 2005, 발파진동에대한 국외 규제기준 고찰 및 국내기준

제정방향에 대한 제안, 제3회 한화기술 심포지움.

25. Grogan, A., and McAnuff, P., 2005, Canadian Vibration and

Airblast Regulations, 31st ISEE Symp., Orlando, p. 307-310.

26. Farnfield, R., 2005, Regulatory Control of Blast Vibration

81

Levels in the UK, 31st ISEE Symp., Orlando, p. 283-289.

27. Holmberg R. and Jonson D., 2005, Swedish Standards for

Ground Vibrations and Airblast, 31st ISEE Symp., Orlando, p.

289-306.

28. Spathis, A., and Brodbeck, A., 2005, Future Directions in

Vibrations and Airblast Control Within an Australian

Regulatory Context, 31st ISEE Symp., Orlando, p. 263-275.

29. Bacci, D., 2005, Guidlines for Mining and Quarry Blasting

Urban Areas, p. 227-281.

30. Dowding, C.H. 1985, Blast Vibration Monitoring and Control.

(양형식 역서)

31. 황우석, 이병천, 박용호, 채찬희, 김대용, 한재용, 김경진, 이중선,

백용진, 1997, 건설공사에 의한 가축피해 및 구제방안, 가축분뇨

처리 및 조사료 증산방안 심포지움. p.141-183 (추가자료 포함).

32. Evans, K.F., Zappone, A., Kraft, T., Deichmann, N., Moia. F.

2012, A survey of the induced seismic responses to fluid

injection in geothermal and CO2 reservoirs in Europ,

Geothermics, Vol. 41, pp30-54.

33. 미국에너지부 홈페이지

(http://www.doe.gov/eere/geothermal-energy-glance-back-and-l

eap-forward)

34. Majer, E., Nelson, J., Robertson-Tait, A., Savy, J., and Wong,

I., 2012, Protocol for addressing induced seismicity associated

with Enhanced Geothermal System, US Department of Energy,

DOE/EE-0662.

35. Goodman, R.E. 1989, Introduction to Rock Mechanics, John

82

Willey & Sons, pp 85-87

본 연구와 관련된 논문발표 및 2013 성과확산

1) 한국암반공학회지 “터널과 지하공간”(학진등재) 제 23권 6호(2013년

12월31일 발간)에 게재예정(논문게재예정 증명서 및 게재료 청수서

첨부)

2) 한국자원공학회 2013 추계학술발표회(10월17-18일, 강원대학교) 구두

발표(논문집 표지와 목차 스켄, 발표 ppt자료 첨부)

3) 포항 EGS지열개발 연구기관 합동세미나(참여기기관: ㈜ 넥스지오,

한국지질자원연구원, 서울대산학협력단, 한국건설기술연구원, POSCO,

㈜ 이노지오테크놀로지) 초청강연, 2013년 7월25일, 포항시추현장 회

의실(강연 PPT파일 첨부)

4) 서울대학교 특별강연(에너지자원 신기술연구소), 2013년 9월4일(3항

과 같은 강연자료)

5) 中國東北大 특별강연 2회( 특별강연 확인서 첨부), 단 강연내용은 영

문이므로 2011-12년 대학공동연구 성과내용 임.

6) Keynote lecture paper, 10thPacific Rim International Conference on

Water Jet Technology(PRI-WJT 2013), 25-27 April, Jeju, Korea

(기조강연논문 및 발표 PPT 파일)

83

저자소개

이정인

․ 서울대학교 공과대학 자원공학과 졸업 공학사

․ 일본 도호쿠(東北)대학교 공학박사

․ 전 서울대학교 공과대학 교수, 현 명예교수

․ 한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원

․ 발파 진동 관련 논문 :

류창하, 이정인, 1979a, 발파작업에 의한 지반진동이 지상구조물에

미치는 영향에 관한 연구 - 동양시멘트 삼척공장 석회석 노천채

석장을 중심으로 - , 대한광산학회지, 16권 1호, p.41-50.

류창하, 이정인, 1979b, 순발 및 MS 지발발파에 의한 지반진동에

관한 연구, 대한광산학회 제33회 학술발표회, p.14-15.

Lee, C.-I., Ryu, C.-H., 1992, Measurement and control of

ground vibration from rock blasting, Proc. of the International

Symposium on Impact Engineering, Sendai, Japan, Vol. 2,

p.710-715, .

이정인, 1993, 발파진동, 발파풍압 및 비석의 조절을 통한 안전발

파, 대한토목학회지, 41권 1호, p.99-117.

Lee, C.-I., Shin, I.-J., 1997, The Characteristics of

Blast-Vibration in Tunnel Blasting and the Vibration Control

by Delay Time, Asia-Pacific Vibration Conference '97,

Kyongju, Korea, p.1240-1245.

김광염, 최영민, 이정인, 1999, 터널발파 패턴설계 자동화 프로그

램의 개발에 관한 연구, 한국암반공학회 1999년도 학술발표회,

서울대학교(99.3), p.51-54.

84

신일재, 이정인, 1999, 발파진동이 양생중인 라이닝 콘크리트에 미

치는 영향에 관한 연구, 한국암반공학회 발파기술 세미나, 서울

대학교(99.10), p.119-134.

신일재, 이정인, 백종현, 2001년 3월, 최소저항선이 발파진동의 크

기에 미치는 영향에 관한 실험연구, 화약․발파(대한화약기술학회

논문집), 제 19권, 제 1호, p.53-61.

Shin, I.-J. and Lee, C.-I., 2001, Effect of blast-vibration on the

strength of curing lining concrete, ISRM International

Symposium 2nd-ARMS 2001, Beijing(China), 597-600.

김태형, 이정인, 2002, 터널 발파패턴 설계의 자동화를 위한 설계

변수의 정량적 표현에 관한 연구, 2002년 한국암반공학회 춘계학

술발표회 논문집, 서울대학교, (2002.03), p.55-63.

Lee, C.-I., Jong, Y.-H., Kim, T.-H., Choi, Y.-K. and Jeon, S.,

2002, Development of an automated design program for tunnel

blasting, Journal of the Japan Explosives Society, Vol. 63, No.

6, p.309-315.

Jong, Y.-H., Lee, C.-I., 2004, Influence of geological conditions

on the powder factor for tunnel blasting, International Journal

of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 41, No. 3,

Pergamon Press, p. 461.

Lee, C.-I., Jong, Y.-H., Jeon, S., Choi, Y.-K. and Kim, H.-S.,

2005, The Computerized Design Program for Tunnel Blasting,

Proc. of the 31th Annual Conference on Explosives & Blasting

Technology, Orlando, USA. (2005.02.06.-09.), Vol. 1, p. 159-168.

85

정용훈, 이정인, 최용근, 2006a, 발파진동에 대한 인접한 지상 저

장탱크의 안정성 평가, 한국소음진동공학회논문집, Vol. 16, No. 1,

p. 19～26.

정용훈, 이정인, 2006, 단일공 발파에서 생성된 균열망에 작용하는

가스압의 수치해석적 산정, 한국암반공학회지(터널과 지하공간),

Vol. 16, No. 5, p. 413~421.

정용훈, 전석원, 이정인. 2006b, PFC2D에서의 발파에 의한 파괴메

커니즘의 수치적 모델링, 한국암반공학회(터널과 지하공간), Vol.

16, No. 6, p. 476~485.

86

요 약

지열에너지는 태양광이나 풍력에 비하여 기상 조건 등의 영향을 받지

않고 연중 24시간 생산 가능한 신재생 에너지 자원이다. 화산성 고온

지열지역이 아닌 우리나라에서도 심도 5 km에서 최대 온도 약 180℃

내외의 지열대가 부존하여 최근 선진국에서 개발 중인 인공 지열 저류

층 생성 기술(EGS)을 통한 상업적 지열발전이 가능하다. 이에 따라 우

리나라에서도 EGS지열발전 상용화기술개발에 관한 연구가 착수 되었으

며 이 연구에는 EGS 수리자극기술개발이 대단히 중요하다.

본 연구에서는 EGS 지열발전의 국내외 기술 및 연구동향을 심층 분

석하고 지열 저류층을 생성하기 위한 수리자극에 따른 지반진동이

지상구조물과 환경에 미치는 영향에 대하여 분석하여 그 안전관리

시스템의 기초자료를 제시 하였다. 즉 유럽과 미국의 EGS 지열발전

의 건설 및 연구사례, EGS 수리자극의 유발지진에 의한 지반진동으

로 건설이 중단된 사례 등을 검토하고, 특히 세계 각국의 발파진동의

건축 구조물에 대한 허용기준과 인체 및 가축에 미치는 영향에 대하여

도 검토 분석 하여 포항 EGS 지열발전의 수리자극에 의한 지반진동

의 안전관리 기준을 수립하는데 필요한 기초자료와 사전대치 방안을 제

시하였다.

국내 EGS 지열발전 상용화 기술개발은 계속연구 과제이므로 앞으로

ReSeat 프로그램의 대학정보지원 연구도 계속 지원이 절실하다.