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석탄

에너지분류(Energy Classify)
에너지의 분류
우리생활에 필요한 열 에너지, 빛 에너지, 운동 에너지 등은 에너지원을 소비함으로써 얻을 수 있으며, 이러한 에너지원(源)은 크게 다음의 세 가지로 분류할 수 있다.
  • 화석연료 아이콘

    화석연료

    지질시대에 살던 동식물의 유해로부터 얻어지는 연료를 말하며 석탄, 석유, 가스 등이 이에 속한다.
  • 핵연료 아이콘

    핵연료

    핵분열 반응을 이용하여 에너지를 얻을 수 있는 연료를 말하며, 우라늄(U), 플루토늄(Pu), 토륨(Th) 중의 하나이거나 그 조합체를 말한다.
  • 대체에너지 아이콘

    대체에너지

    화석연료나 핵연료 등 환경문제가 있는 기존의 에너지를 대체할 수 있는 에너지 를 말하며 수력, 풍력, 태양력, 조력, 지열 등 주로 자연에서 얻어지는 형태의 에너지이다.
화석연료의 비교
구분 확인매장량 연간소비량 가용년수
석유 1조200억 Bbl 249억Bbl 41년
천연가스 144조 ㎥ 20억 TOE 68년
석탄 1조316억 톤 46.8억톤 220년
※ 자료 : BP Statistical Review of World Energy 1998.
석탄자원의 중요성
우리나라의 부존 에너지는 최근 대륙붕에서 발견된 소량의 천연가스를 제외하고는 석탄만이 유일한 에너지 자원이다.
우리나라의 에너지 해외 의존도는 놀랍게도 99년 기준 97.3%나 된다. 또한 석탄은 우리나라의 1차 에너지 소비구조 중 수입 석탄을 포함하여 약 19.9%의 점유율을 차지하고 있다.
전세계적으로 석유나 가스의 가용년수가 상대적으로 석탄에 비해 낮으며, 에너지 자원의 고갈은 인류의 멸망을 초래할 수도 있으므로 이의 방지를 위해서는 에너지원의 균형있는 개발과 대체어너지의 개발이 무엇보다 중요하다. 따라서 전세계 에너지원에 있어서 석탄의 역할이 무엇보다 중요할 것이다.
에너지 사이트 정보
지질시대분류(Geologic Eras)
시대 기간 이미지 특징
시생대 약46억년 전 지구의 형성 ~ 약 25억년 전까지 사상대 이미지 최초의 생명이 탄생함
균류(菌類)와 남조(藍藻) 비슷한 조류(藻類)의 화석 발견
원생대 약 25억년 전 ~ 약 5억 7500만년 전까지 원생대 이미지 초기에는 남조식물로 대표되는 원핵생물 만이 알려졌으며 중기에는 녹 조류 등의 진핵생물이 나타나며, 말기에는 원생동물뿐 아니라 강장동물 이나 환형동물 비슷한 무각(無殼)의 후생동물이 나타남
고생대 약 5억 8000만년 전 ~ 약 2억 2500만년 전까지 고생대 이미지 초반은 해생 무척추동물시대라 불리며 특히 삼엽충이 고생대 전반에 걸쳐 번성함
육상에서 양서류(兩棲類)의 출현이 시작되고 양치식물(羊齒植물物)을 주체로 한 대 삼림이 출현하여 세계 각지에 석탄지대를 이룸
국내 석탄의 대부분도 고생대에 생성됨
중생대 약 2억 4700만년 전~ 약 6500만년 전까지 중생대 이미지 암모나이트, 벨렘나이트 및 거대한 파충류(공룡)가
발전하였으나, 중생대 말기에 거의 전멸, 현재에
가까운 신생대 동물로 대체됨
신생대 약 6500만년 전 ~ 현재까지의 시대 신생대 이미지 신생대는 포유류의 시대라 표현하듯 많은 종류의
포유류가 다양하게 진화, 분화함
암석상식(Geologic Eras)
  퇴적암 (Sedimentary rocks) 화성암(Igneous rocks) 변성암(Metamorphic rocks)
암석 퇴적암 이미지 화성암 이미지 변성암 이미지
내용
및 특징
지표에 나타난 암석들이 풍화작용을 받거나 침식작용에 의하여 원래의 위치에서 벗어나고, 이 작은 물질들이 물이나 바람에 의하여 널리 운반되어 평야 또는 호수, 바다 밑 등에 쌓여서 만들어진 암석을 말한다.

퇴적암에서는 화석(Fossil)을 볼 수 있으며 잘 알려진 쥬라기 시대의 공룡 화석이나 식물의 화석 등이 모두 퇴적암에서 발견된 것이다.

*우리회사에서도 석탄 개발 도중 캠브리아기를 대표하는 삼엽충 화석이 발견되기도 하며 석탄기의 식물류 화석 등은 흔하게 볼 수 있다
지구 내부의 특정한 장소에서 높은 열과 압력에 의해 암석이 녹아 마그마(Magma)가 만들 어지며 이 마그마가 지각 내부에서 굳어 암석이 되거나, 지표 밖으로 분출 또는 흘러나와 생성되는 암석을 말한다. 기존의 암석이 지하심부에서 높은 압력과 열을 받거나 마그마가 분출되면서 주위 암석에 새로운 화학성분이 첨가되거나 제거되어 성질이 바뀌게 되면 이러한 변화에 의하여 만들 어진 암석을 변성암이라고 한다.
종류 역암(Conglomerate), 사암(Sand stone), 혈암(Shale), 석회암(Lime stone)등이 있으며, 석탄 (Coal)도 일종의 퇴적암이다. 화강암(Granite), 현무암(Basalt), 유문암(Rhyolite), 안산암(Andesite) 등이 있다. 편마암(Gneiss), 편암(Schist), 점판암(Slate), 대리석(Marble), 호른펠스(Hornfels) 등이 있다
석탄생성분류(Creation)
석탄은 어떻게 만들어졌을까?
  • 01 먼 옛날 고생대 석탄기와 페름기 초, 약 2억2천만~3억년 전 지구상에는 식물이 번성하여 큰 나무숲을 이루었다.
  • 02 그 당시 식물들은 습지나 얕은 물에서 자랐으며 죽어 넘어지면서 물속에 쌓이고 쌓여서 오랫동안 두터운 층을 이루었다.
  • 03 때마침 지각의 침강으로 식물 층 위에 모래, 진흙, 자갈 등이 두껍게 쌓이게 되며 식물층은 높은 압력을 받게 되고 이 때문에 식물을 구성하고 있는 성분 중 수소나 질소, 산소 등은 서서히 빠져나가고 탄소를 주로 하는 물질이 남게 되는데 이것이 석탄층이다.
  • 04 이 석탄층은 계속되는 지층의 압력과 열에 의하여 탄화작용이 이론적으로 식물의 층은 석탄으로 변화되면서 원래의 두께에서 1/10로 줄어들게 되는데 발견된 탄층의 두계가 5m라면 그 당시 식물의 층 두계는 50m이었다는 것이다. 진행(Carbonization) 되며 탄소의 량을 포함한 화학적 물리적 변화의 정도에 따라 석탄의 종류도 나뉘게 된다.
화석연료의 비교
무연탄
  • 우리나라에서 흔히 석탄이라 말함은 무연탄을 말한다. 왜냐하면 우리 나라에서 생산되는 석탄의 대부분이 무연탄이기 때문이다.
  • 대부분 검정색으로 탄소의 량은 많으나 불이 늦게 붙으며 탈 때 연기 가 나지 않아서 무연탄이라 부른다.
  • 주로 연료용과 발전용으로 쓰인다.
  • 연소되면서 일산화탄소(co) 가스가 발생되는데 이 가스가 겨울철 연탄 가스 사고의 원인이 된다.
유연탄
  • 남한에는 없으나 북한에서는 생성된다.
  • 우리가 흔히 무연탄과 대조적으로 유연탄이라 부르는 것은 탈 때 연기가 많이 나기 때문에 유연탄이라 부른다
  • 유연탄은 무연탄보다 탄화가 덜되어 탄소의 량은 적으나 불이 잘 붙으며, 탈 때 노란 불꽃을 내고 화력이 무연탄보다 강하다.
  • 주로 화력발전용, 시멘트 소성용, 제철소 코오크스 제조용, 화학 공업 원료용 등으로 쓰인다.
갈탄
  • 우리나라에서 일부가 생산되기도 했으며 탄소의 량이 적고 갈색을 띠고 있어서 갈탄이라 부른다.
  • 석탄 생성 당시의 식물구조가 보이는 게 있으며 탈 때 냄새가 심하고 연기가 많이 난다.
  • 주로 연료용으로 쓰인다.
토탄
  • 땅속에 묻힌 지 얼마 되지 않아 식물의 구조가 보이며 어두운 갈색으로 탄소의 양이 적어 잘 타지 않는다.
  • 우리나라에서는 평야지대에서 가끔 발견되기도 한다.
석탄의 발견

세계의 발견 이야기

2천3백년 전쯤 (B.C 315년경) 철학자 테오프라스터스가 남긴 기록에는 그리스 지방의 대장간에서 석탄을 연료로 사용 하였다고 기록되어 있는 것으로 보아서 석탄의 발견은 그 이전으로 보인다.

우리나라의 발견 이야기

삼국사기에 신라 진평왕 31년 (A.D 609년) 모지악 동토함산지가 불에 탔다고 기록되어 남아있는 것으로 보아 이는 여느 산불과 달리 노두탄(지표에 노출된 탄)이 산불로 인하여 불이 붙어 오랫 동안 탔기 때문에 기록으로 남게 되었을 것으로 추정하고 있으며, 동토함산지는 지금의 경상북도 영일군의 갈탄지역으로 추정되고 있다.
석탄의 활용
세계적으로 석탄이 주목 받기 시작한 것은 1760년대 영국의 산업혁명과 밀접한 관련이 있다. 에너지가 없던 시절 석탄을 태워 물을 끓이고 거기에서 발생되는 증기의 힘을 이 용하여 동력을 얻었고 그 동력의 힘으로 산업혁명은 이루어 졌다. 우리나라의 입장에서 본다면 가난하던 시절 연료의 대부분을 산에서 나무를 베거나 낙엽을 채취하여 연료로 사용하였고, 이로 인하여 오랫동안 벌거숭이가 되었던 산들은 연료를 나무에서 탄으로 대체하면서 국토는 푸르게 되었고 석탄의 활용은 이의 결정적인 역할을 수행하였다.
석탄은 생각보다 매우 다양한 방면에서 활용되고 있으며, 참고로 ’98년 우리나라는 유연탄 52백만 톤을 수입하여 주로 발전용, 제철용 및 시멘트 산업용으로 사용되었고 수요량 은 계속적으로 증가 될 전망이며, 유연탄은 우리나라에 부존 되어 있지 않은 관계로 전량 해외자원에 의존해야 하는 실정이다.
석탄의 품질
석탄의 품질은 1kg의 석탄을 완전히 연소시켰을 때 발생하는 열량의 크기로 나타낸다. 발열량이라 부르며 단위는 kcal/kg이다. 우리가 연료를 구입하는 것은 그 연료가 가지고 있는 위치에너지 (potential energy)를 산다는 것을 의미하는 것으로, 순수한 물 1kg을 14.5℃ 에서 15.5℃로 1℃ 올리는데 소요되는 열량을 1kcal라 한다. 물론 그 연료가 가지는 발열량은 그 연료의 가치를 판정하는 제일 조건이다. 우리나라 무연탄은 괴탄(입상)과분탄(입도 25mm 이하)으로 구분하고 있고 국내 생산 탄의 등급은 분탄의 경우 7급(4,000~4,199kcal/kg)에서부터 1급 (5,200~5,399kcal/kg)까지가 대부분이고 참고로 우리회사의 99년도 평균탄질은 3급으로 4,923kcal/kg이었다.
석탄개발이용(Development/Use)
석탄은 어떻게 만들어졌을까?
1.조사탐탄 여러 가지 수단을 통하여 탄을 찾아 내는 작업을 말하며 크게 간접탐탄과 직접탐탄으로 나눌 수 있다.
간접탐탄은 항공사진을 판독하거나 물리 탐사 등을 통하여 지하 내부구조를 간접적으로 조사하는 방법이고, 직접탐탄은 지하에 구멍을 뚫어 지하 내부구조를 직접 알아보거나 지표면상의 지질조사를 통하여 조사하는 방법을 말한다.
2.평가분석 광업은 자연에 존재하는 광물 (석탄포함)을 채굴하여 가용자산으로 만들어 최대의 이익을 얻는데 그 목적이있다. 탐탄을 통하여 확인된 석탄의 양과 묻혀있는 위치 그리고 경제적 가치 등을 평가 분석한다.
3.계획설계 기술적인 면과 경제적인 면에서 개발 가치가 있다고 결정되면 캐내야 하는 구역의 넓이, 모양, 지질, 석탄의 품질 등 자연적인 조건과 생산능력, 수요 등을 판단하여 개발 골격과 투자 계획 및 생산공정을 수립하는 과정을 말한다.
4.개발 지표로부터 광체(석탄층)까지 암석 중에 갱도를 개설하여 생산이 될 수 있도록 하는 과정을 말하며 개발방법은 생산탄의 운반방법에 따라 수갱(vertical shaft)개발 방식과 사갱(incline)개발 방식으로 나눌 수 있다.
우리나라의 현 가행탄광 중 수갱개발 방식은 상대적으로 심부화되고 대규모 탄광인 석공의 장성 광업소, 민영의 삼척 탄좌, 동원 탄좌 가 있고 여타 탄광은 사갱 개발 방법을 채택하고 있다.
5. 생산 석탄을 캐내 상품으로 만들기까지의 작업을 말하며 석탄의 부존여건에 따라 캐내는 방법에 많은 차이가 있다.
석탄의 부존여건이 완경사이고 탄층의 두께가 상대적으로 균일한 외국 탄광에 서는 기계화된 장비 (drum shearer, shield support, coal sawing machine 등)를 사용하여 노동력 의존도를 낮추고 생산성을 향상시키고 있으나, 우리 나라의 경우 부존여건이 급경사 이고 심한 지각변동으로 두께가 불규칙하여 기계화 장비를 활용하지 못하며 노동력 의존도가 외국에 비해 상대적으로 높아 생산원가가 높은 편이다. 생산과정은 굴진, 지보, 채탄, 운반, 선탄작업 등 일련의 과정으로 이루 어 진다.
석탄의 활용
국내 무연탄은 화력발전용과 연탄제조용으로 주로 쓰이나 석탄은 이용형태에 따라 고체, 액체, 기체로서의 이용으로 구분한다.
고체상태의 이용 가정난방용, 발전연료, 제철용 코크스, 시멘트 소성용, 정수장 정수재, 쓰레기장 여과재 등
액체상태의 이용 건류 티아르, CWM(Coal Water Mixture), COM(Coal Oil Mixture), 석탄 액화등
기체상태의 이용 건류가스, 가스화 복합발전(IGCC)등.
석탄생산방식변화도(Method)
채탄방법의 변천

위경사승 붕락식 채탄법 (Slant chute block caving method)

우리나라의 탄층은 대부분 경사가 급하고 습곡이나 단층의 영향으로 탄층의 변화가 심하며 상대적으로 탄층의 부존상태가 규칙적인 외국에 비하여 기계화된 채탄법을 적용하기가 매우 어렵다. 이 채탄법은 우리나라에서 탄광이 개발된 이후부터 90년대 초까지 전통적으로 적용해 온 채탄법으로 지금은 쓰이지 않는다.
우선 하반측에서 암석승을 올려 착탄시키고 착탄지점에서 탄층의 위경사를 따라 본승을 진행하고 본승을 중심으로 소구획으로 나누어 석탄을 캐내는 방법이다. 이 채탄법은 오직 하나의 갱도만이 개설되는 관계로 작업환경이 좋지 않고 석탄을 중력에 의하여 운반하는 관계로 먼지가 많이 발생하고 연약층인 탄중에 갱도를 개설하는 관계로 안전관리에 문제가 많았으며 과거 탄광 붕락사고의 대부분이 이 채탄법에서 비롯됐다.

중단붕락식 채탄법 (Sub level caving method)

이 채탄법은 위경사승 붕락식 채탄법의 단점(탄중에 본승을 개설하는 관계로 본승의 장기 유지가 어렵다)을 보완하기 위하여 개발된 채탄법으로, 탄층에서 가까운 암석 중에 상하부간 관통 암석승을 개설하고 암석승에서 직각으로 탄층을 향하여 수평의 중단갱도를 진행하여 중단갱도를 중심으로 소구획으로 나누어 석탄을 캐내는 방식이다.
석탄의 운반은 수평인 관계로 체인컨베이어라는 운반장비를 이용한다.

계단식 채탄법 (Step coal mining method)

이 채탄법은 탄층의 경사가 급경사이며 탄폭이 얇고 상반과 하반이 균일한 조건시 위에서부터 탄중갱도를 개설하고 일정구간을 붕락시켜 탄을 회수한 뒤 파쇄암석 등을 투하시켜 채굴적(공동)을 충진시켜주는 방법으로 근래에는 박폭의 탄층은 경제성이 낮아 개발이 안 되는 관계로 현재 적용개소는 없다.

중단붕락식 장공발파 채탄법 (Sub level & long hole blasting method)

이 채탄법은 중단붕락식 채탄법의 변형으로 적용조건이나 진행방법은 중단붕락식과 비슷하며 중단갱도를 중심으로 소구획으로 나누지 않고 직접 천장측 탄층에 장공의 구멍을 뚫어 그곳에 화약을 넣고 발파하여 대규모로 붕락시켜 석탄을 캐내는 방식이다.
채탄방법의 변천
국내 무연탄은 화력발전용과 연탄제조용으로 주로 쓰이나 석탄은 이용형태에 따라 고체, 액체, 기체로서의 이용으로 구분한다.
구분 위경사승붕락식 계단식 수평중단붕락식채탄법
중단 장공발파



탄폭 1m이상 1~2m 1~3m 3.5m이상
탄층경사 30˚이상 30˚이내 30˚이상 50˚이상
주향방향 제한없음 100m이상 100m이상 100m이상
상하반상태 제한없음 견고 견고 견고
탄의 굳기 연질 경질 중경질 연질



갱도지주 목재 목재 목재와 철재 철재
갱도크기(m) 2.8*1.8 1~1 3.3*2.4~1.8*1.8 3.3*2.4
막장운반 중력유탄인력(등짐) 중력유탄인력(등짐) 중력 및 체인콘 베어 쿨리카 체인컨베이어 쿨리카 연층채준기
채탄방법 곡괭이, 삽, 오거드릴, 콜픽 등으로 탄층을 따라경사갱도 개설 일정구간씩화약 발파에 의해 붕락시킴 착암기, 오거드릴로 하부탄층에서 상부탄층으로 탄중승을 개설한 후 하부탄층부터 천공발파에 의해 계단식 채탄 진행 후방 채굴적은 폐쇄 충진 오거드릴, 콜픽에 의해 탄층으로 수평개 개설 후 막장에서부터 경사승을 굴착한 후 화약발파에 의해 탄층 붕락 체인컨베이어 쿨리 연층 재준기, 오거드릴, 콜픽에 의해수평으로 탄층갱도를 개설한 후 연층 막장에서부터 상향천공 후 화약발파에 의해 탄층붕락
특징 노동강도 및 재해율이 높다. 작업환경 열악 노동강도는 낮으나 재해율이 높다. 작업환경이 나쁘다. 노동강도와 재해율이 비교적 낮다. 기계화채탄으로 노동강도 및 재해율이 낮다.
광산장비(Machine)
국내 무연탄은 화력발전용과 연탄제조용으로 주로 쓰이나 석탄은 이용형태에 따라 고체, 액체, 기체로서의 이용으로 구분한다.
장비명    
수갱시설 운반속도를 높여 운반 능률을 향상시키기 위한 시설 바로가기
권양기 수갱이나 사갱 또는 주요 운반갱도에서 일정한 용기의 왕복운동을 시켜 사람, 광석, 각종 재료 등을 일정한 장소에 운반하는 기계 바로가기
공기압축기 주로 갱내 채굴용 기계의 동력원으로 사용되는 압축 공기를 제조하는 기계 바로가기
광차 광차는 광산에서 광석이나 석탄을 운반하는 기구 바로가기
록카쇼벨 갱도 굴진 중에 생산되는 경석을 운반 광차에 싣는 적재기 바로가기
착암기 광산, 토목, 건축 등의 분야에서 암석 또는 콘크리트의 파쇄용 천공에 사용되는 기계 바로가기
에어호이스트 갱내 막장에서 Air를 동력원으로 하여 탄의 Scraping 및 협소한 공간에서 Wire Rope를 이용하여 자재 운반용으로 사용되는 소형 Winch 바로가기
컨베이어 적재물을 수평 또는 상하로 연속적으로 이동시키는 무한대상의 운반장치 바로가기
축전차 전기 기관차의 분류 전기 기관차는 가공선식과 축전지식으로 분류 바로가기
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