Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers ISSN:2288-0291(Print) 2288-2790(Online) 한국자원공학회지

본 연구는 폐금속광산 산성토양에서 탄소흡수량 증가를 위해 폐석회와 굴패각을 혼합한 토양중화제가 소나무 묘목 근원경 생장과 주변 산림으로부터의 초본 유입 및 토양특성에 미치는 영향을 평가하여 토양중화제의 적정 혼합비율을 선정하기 위해 수행되었다. 토양중화제 혼합비율은 토양중량대비 0.6%, 1.0%, 1.2%, 1.6%였다. 모든 중화제 처리구의 혼합비율에서 소나무 묘목의 근원경 생장과 초본 유입이 촉진되었다. 또한, 토양 pH가 중화제 처리에 따라 개선되었다. 1.6% 처리구가 소나무 묘목 근원경 생장량과 주변 산림에서 유입된 초본의 총개체수, 토양내 TOC와 총질소 함량이 다른 처리구에 비해 높았다. 본 연구에서 중화제 혼합비율은 소나무 묘목의 근원경 생장량과 생존률, 주변 산림으로부터 초본 유입과 토양 pH, TOC 함량과 정의 상관관계를 보였다. 이러한 결과로 폐금속광산에서 소나무 묘목과 초본 생육, 토양 화학적 특성, 중화제 비율에 따른 경제성 등을 고려할 때, 본 연구 대상지인 폐금속광산에서 산림복구를 위해 1.6% 처리가 적합하다. 하지만 다른 폐금속광산에 토양 중화제를 적용하기 위해서는 현장실험을 통해 적정 중화제 혼합비율을 선정해야 한다.

북한의 광산은 시설 노후화와 방지 시설 부족으로 인해 광해 발생에 취약한 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 북한 최대의 철광산인 무산광산을 대상으로 오염물질의 발생 가능성을 평가하고, 이동 경로와 확산패턴을 예측하였다. Landsat 영상의 시계열 분석 결과, 광산의 지속적인 개발을 확인할 수 있었으며 Sentinel-2 영상을 이용하여 광산 영역을 정량적으로 분류할 수 있었다. 또한, Sentinel-1 영상을 이용한 InSAR 분석을 통해 태풍 발생 이후 오염물이 적치된 영역을 파악하였다. 오염물질의 이동경로와 확산패턴을 분석하기 위해 GIS 기반의 흐름방향분석 기법을 적용한 결과, 4개 방향으로 오염물이 확산되어 인근 하천과 광산 남쪽 저지대로 유입될 수 있음을 확인하였다. 따라서 오염물의 확산과 하천 오염을 방지하기 위해서는 유출 가능지역에 확산 방지 시설의 설치가 필요할 것으로 판단된다.

광물찌꺼기 적치장은 유용광물을 추출한 후 남은 부산물들로 구성된 댐이다. 최근 해외에서 광물찌꺼기 적치장 파괴 사례가 보고되고 있어 국내 적치장에 대한 유지관리에 대한 중요성이 증가하고 있다. 본 연구에서는 강원도 삼척 제2연화광산 직내골 광물찌꺼기 적치사면에 대한 강우별 사면의 침투 및 안정해석을 위하여 2차원 유한차분법 기반 수치해석을 수행하였다. 3차원으로 복원된 광물찌꺼기 적치장으로부터 2차원 단면을 선정하였고, 직내골 광물찌꺼기 적치장의 적치방식을 고려하여 모델 구성층을 산정하였다. 본 연구는 투수계수별 침투해석, 강우강도별·지하수위별 민감도해석을 실시하여 적치장 내 간극수압의 예측과 적치장 사면의 안정성을 산출하였다. 현재 직내골 광물찌꺼기 적치장 사면에는 간극수압계, 지하수위계 및 변위계가 설치되어 모니터링을 지속적으로 실시하고 있으며, 이 결과는 광물찌꺼기 적치장 위험도 분석기준 제안시 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에서는 자율주행 로봇이 지하광산에서 도로 표지판을 인지하기 위해 사용될 수 있는 4종의 머신비전 알고리즘(컬러 패턴 매칭, 기하 매칭, 패턴 매칭, 형상 매칭)을 비교하였다. 실내실험을 통해 자율주행 로봇과 도로 표지판 사이의 거리와 각도 조건을 달리하면서 각각의 알고리즘의 표지판 인지 정확도를 평가하였다. 기하 매칭 알고리즘이 가장 높은 표지판 인지 정확도를 나타냈다. 추가적으로 조명의 여부와 상징(symbol) 변화에 따라 기하 매칭 알고리즘 도로 표지판 인지 정확도를 평가하였다. 기하 매칭 알고리즘은 조명 조건과 도로 표지판의 상징이 달라질 때도 안정적으로 작동하였다.

본 연구에서는 탄산염암의 암체 산처리 공법을 위해 유화산을 제조하고 안정성 평가 연구를 수행하였다. 상온과 고온에서 안정성을 확보한 W/O (water-in-oil) 에멀젼(emulsion)을 제조하기 위해 양이온성 유화제와 비이온성 유화제를 친수성-친유성 균형(hydrophile-lipophile balance, HLB) 기준으로 혼합하여 사용하였고, 안정성을 평가하기 위해 액적 시험(droplet test)과 상분리 시험(separation test)을 수행하였다. 유화산 제조 결과, 상온과 고온(90°C)에서 상분리가 일어나지 않는 유체 안정성을 가진 W/O 에멀젼을 확보하였으며, 이때 양이온성 유화제와 비이온성 유화제를 단독으로 사용하는 것 보다 두 유화제를 혼합하여 사용하였을 때 안정성 측면에서 우수함을 확인하였다. 실험을 통해 도출한 결과는 향후 탄산염암 저류층 현장에서 유화산 제조 가이드라인을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

탄산염암 저류층에는 전 세계 석유 매장량의 절반 이상이 부존되어 있으나 강한 친유성으로 인해 오일 회수율이 낮아 다양한 EOR 공법들에 대한 연구가 이루어져 왔다. 특히 첨단 기술인 나노 기술을 접목한 나노-EOR은 기존 EOR에서 사용되는 폴리머, 계면활성제와 같은 화학물질들이 가지는 저류층 환경에서의 기능 저하, 다량 주입으로 인한 높은 주입 비용 등의 한계점을 극복할 수 있는 새로운 공법으로 각광받고 있다. 본 연구에서는 탄산염암 저류층에서 나노-EOR의 기술 특성 및 메커니즘을 조사하고, 최신 기술개발 동향을 분석하였다. 조사 결과, 성공적인 나노-EOR 공법을 수행하기 위해서는 습윤도 개선, IFT 감소와 같은 오일 회수 메커니즘에 대한 분석이 필수적이며, 기존 EOR 공법과의 결합을 통해 시너지 효과가 발생함을 확인하였다. 제시된 결과는 향후 탄산염암 저류층에서 나노-EOR 공법을 적용한 오일 회수 증진 프로젝트 설계를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

생산유전 현장에서 파라핀 침적이 발생할 경우, 유동안정성이 악화되어, 생산량 저하 및 비효율적인 현장운영 등의 문제를 초래하게 된다. 본 연구에서는 카자흐스탄 지역의 유전 현장 시설물에 파라핀이 침적되는 것을 사전에 억제하기 위해, 문제유정의 원유를 대상으로 원유 내 파라핀 성분의 결정성장을 방해하고 분산시킬 수 있는 화학성분을 조합하여 맞춤형 화학제품을 개발하였다. 개발된 제품의 성능은 유동점 측정, cold finger 실험을 통해 검증하였고, 유동모사시험을 진행하며 억제제의 성능을 최적화함으로써, 개발목표치인 1,000 ppm당 90%이상 억제율을 발휘하는 억제제 시제품을 완성하였다. 이에 파라핀의 침적을 억제하는 맞춤형 화학제품의 개발과 성능평가 과정을 기술하였다.

본 연구에서는 캐나다 오일샌드 저류층에서 SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage) 공법 수행 시 FCD(Flow Control Device)의 작동 원리를 분석하고 저류층 생산 시뮬레이션을 통해 그 효과를 확인하였다. FCD는 유체 통과 시 추가적인 압력 강하를 유도하여 유정 전체에 걸쳐 균등한 유동을 만들어 생산 효율을 향상할 수 있다. FCD의 종류별 메커니즘과 장단점을 분석하였으며 오일샌드 저류층 모델 시뮬레이션을 통해 SAGD 공법 수행 시 FCD의 효과를 확인했다. 시뮬레이션 수행 결과, 수평 생산정에 FCD를 적용하였을 경우 누적 오일 생산량은 약 9% 증가하였으며 cSOR(cumulative Steam Oil Ratio)은 약 17% 감소하여 FCD의 SAGD 공법 효율성 증대 효과를 확인하였다. 또한, FCD 설치 구간 및 시점에 따른 영향을 분석하여 FCD의 현장 적용 가능성을 제시하였다.

일본은 1970년대 초부터 광물자원의 안정공급에 대응하여 왔다. 금속광물자원은 일본 제조업의 국제경쟁력을 유지‧강화하는 것에서 중요한 요소였으므로 금속광물자원의 공급을 안정적으로 확보하는 것은 일본의 주요 국가과제 중 하나였다. 이는 금속광물자원이 일본 제조업의 기초를 지탱하고, 고기능화가 진전되고 있는 하류산업의 추가적 발전에 필수불가결하기 때문이다. 일본이 2020년에 2050년 Carbon Neutral(탄소 중립) 실현을 선언하면서 base metal과 rare metal의 확보가 갖는 중요성은 커졌다. 주요국들이 탄소 중립을 선언하면서 최근에 에너지정책을 둘러싼 환경이 크게 변화하고 있고, 이에 따라 탄소 중립의 열쇠인 rare metal에 대한 확보 경쟁이 격화될 것이라는 점도 반영되고 있다. 일본 정부는 자원 조달에서의 국제적 전략 중점분야를 rare metal 등으로 확대‧이동시켜 앞으로 더욱 심해질 광물자원의 확보 경쟁에 대비하고 있다. 우리나라도 다른 선진국들과 마찬가지로 2050년 탄소 중립을 선언하였다. 이는 다른 주요국들과 마찬가지로 rare metal을 필요로 한다는 것을 의미한다. rare metal 분야에서 시장의 움직임, 주요국의 동향, 일본의 행보를 살피면서 우리나라에 적합한 형태로 대처하는 것이 요구된다.

본 연구에서는 국내 제조업에 적용되는 인공지능과 스마트팩토리의 방향을 검토하여 자원처리공정과 제련공정의 효율을 향상시키기 위한 방향을 제시하고자 하였다. 자원처리공정이나 제련공정에 적합한 인공지능 시스템을 구축하기 위해서는 각 개별 공정에서 데이터를 수집할 수 있는 새로운 센서의 개발이 필요하며, 여기서 확보한 빅데이터를 활용하여 제조업의 문제를 해결할 인공지능 시스템을 개발해야한다. 최근 스마트팩토리를 국내에서 제조업에 적용하기 위한 시도가 증가하고 있으며, 대부분 물류시스템을 최적화하거나 자동화를 도입해 공정의 에너지나 원료를 저감시키는 방향이 제안되고 있다.

천연가스는 화석연료이지만 연소로 인해 발생하는 이산화탄소 등 유해가스 배출량이 석탄과 오일보다 적어 에너지전환 시기에도 수요가 늘어나고 있다. 이와 더불어 신규 가스전에 대한 발견 감소와 유가 상승 등으로 인해 에너지자원 확보를 위한 방안으로 중소규모 가스전 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 중소규모 가스전은 전 세계 가스전의 약 40%를 차지하고 있음에도 불구하고 LNG나 상용 GTL 공정을 통한 경제성 확보가 어려워 가스발전을 위한 상업화가 되지 못하였다. 이 연구에서는 육상 및 해상의 중소규모 가스전 개발 동향을 파악하였으며, 가스발전과 중소규모 가스전에 적용할 수 있는 가스 활용 기술 동향을 조사하였다. 이러한 분석 결과를 통해 중소규모 가스전 개발 및 활용 계획 수립 시 기초자료로 사용할 수 있을 것이다.

한미 미사일 지침 해제와 누리호 발사체 개발로 인해 국내에서도 새로운 우주 산업에 관한 관심이 높아지고 있다. 본 논문에서는 소행성 채광을 위한 우주 산업 및 기술 동향을 정리하였다. 소행성의 정의와 분류 체계에 관해 설명하였고, 소행성 채광 분야의 1세대 기업들과 2010년 이후 설립된 신생 기업들을 소개하였다. 기업들의 국가가 다변화되고 있으며, 사업 분야도 우주 망원경과 우주 발사체뿐만 아니라 로봇 채광장비, 우주에서의 제조 및 자원처리 기술, 우주 주유소 구축 등으로 확대되고 있음을 확인할 수 있었다. 소행성 채광에 필요한 탐사, 운송, 에너지, 채광 기술의 동향을 정리하였고, 국제적 법률 및 규정 관련 이슈와 경제성 관련 이슈를 제시하였다. 소행성 채광을 위한 기술 개발과 국제적인 법률 정비를 위해 지속적인 투자와 노력이 필요할 것으로 판단된다.