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자원공학
자원공학(資源工學, Mineral and Petroleum Engineering, mineral and energy resources engineering)은 지구의 표면 및 내부, 즉 지하와 해저에 부존하는 유용자원과 지하매체를 경제적인 목적과 관련하여 각종 원리와 방법을 이용하여 다루는 학문이다.
자원공학의 핵심적인 적용범위의 하나는 유용자원에 대한 탐사·개발·활용과 관리가 그 대상이다. 여기서 유용자원은 에너지 자원으로서 석유·천연가스·석탄·우라늄 등이 포함되고, 광물자원으로서 철·구리 등의 금속자원과 석회석·고령토 등의 비금속자원, 그리고 지하수·석재·지열(地熱)·심해저자원(深海底資源), 재활용 대상인 폐자원(廢資源) 등을 뜻한다. 또 하나의 중요한 적용범위는 인류활동의 대상이 되는 지하매체를 과학기술적으로 규명하는 것이다.
지하매체라고 하면 터널, 공업단지 등 건설장소를 위시하여 석유·액화석유가스(LPG) 등의 지하비축, 핵폐기물의 지하처분, 농수산물의 지하저장 등 지하공간의 이용과 관련된 구조물, 그리고 지표 및 지하의 환경오염과 관련되어 규명대상이 되는 장소 등의 지대를 말한다. 이와 같은 지하매체를 대상으로 하여 자원공학의 탐사·개발 및 활용·기술과 관리기법을 이용하여 건설 또는 처리하는 데 필요한 각종 자료를 제공하게 된다.
한편, 자원공학을 학문적으로 분류하면, 탐사와 관련하여 응용지질(應用地質) 및 응용지구화학(應用地球化學)과 물리탐사(物理探査) 분야, 개발기술(또는 생산)에서는 암석역학(岩石力學, 또는 岩盤力學) 및 개발공학(開發工學)과 석유공학(石油工學) 분야가 있다. 그리고 활용을 다루는 자원처리 또는 광물처리와 관리측면으로서의 자원경제(資源經濟) 분야가 포함되고 있다.
목차
개념 및 정의
산업이 선진화되고 첨단산업이 확대되면서 인류는 더 많은 에너지자원이 필요하게 되었다. 또한 다양한 종류의 금속과 비금속자원뿐만 아니라 보다 고급화된 품질의 자원이 요구되고 있다.
자원공학은 지각, 즉 지하 및 해저의 유용자원과 지하매체를 경제적인 목적과 관련하여 여러 원리와 방법을 이용하여 다루는 학문이라 할 수 있다.1) 자원공학은 자원의 탐사, 개발, 활용 및 관리, 그리고 지하공간의 개발 및 이용에 이르기까지 다양한 분야를 다루고 있다. 구체적으로 탐사와 관련된 영역으로 본다면 응용지질(應用地質, applied geology) 및 응용지구화학(應用地球科學, applied geochemistry)과 물리탐사(또는 응용지구물리학(應用地球物理學, applied geophysics)), 개발(또는 생산)과 관련된 개발공학(開發工學) 및 암석역학(巖石力學, rock mechanics)과 석유공학(石油工學, oil engineering), 활용 분야로서는 광물처리공학(鑛物處理工學)과 추출야금학(抽出冶金學), 그리고 자원의 시스템과 관리 분야에 속하는 자원경제학(資源經濟學, minera economics) 등이 있다.
역사적 고찰
대학에서 자원공학과라는 학과 명칭의 출현을 알아보는데 있어서 먼저 자원공학과의 전신인 광산학과 및 채광학과의 변천사를 알아보는 것이 우선일 것 이다. 일본의 강압통치 시절인 1917년에 경성공업전문학교에 광산과가 설치된 이후, 1922년에 경성고등공업학교로 개칭되고 1939년에는 경성광산전문학교가 설립되면서 이관되었다. 또한 1941년에는 경성제국대학에 이공학부가 신설되면서 여기에 광산야금학과가 설치되었다.
그리고 1945년 8·15 광복 후, 1946년에 국립서울대학교가 탄생되면서 경성광산전문학교 및 경성대학(경성제국대학은 광복 후 경성대학으로 개칭 됨.)의 광산야금학과의 통합 개편으로 서울대학교 공과대학에 채광학과가 설치되었다. 채광학과는 1955년에 광산학과로 개칭되었다가 1969년 말경에는 자원공학과로 개칭되었다. 이렇게 해서 대학에 자원공학과의 학과 명칭이 출현되었고, 이 이후로 각 대학에서도 학과명 개칭의 바람이 일었다.
한편 지하자원을 주 산업물로 취급하고 있는 자원공학 분야에서는 지하자원의 특성인 유한성 때문에 개발기간에 따른 자원산업의 사양화는 피할 수 없는 운명이다. 그래서 실제로 한국의 자원산업도 최근에 극도로 쇠퇴화되었으니 예를 들면 우리 나라 석탄광 가행현황을 살펴보면 1980년대 후반에는 300개 이상(1986년 361개, 1987년 363개, 1988년 347개, 1989년 332개)으로 생산량도 연간 2,000∼2,400만t이던 것이 2000년에는 12개 탄광에 생산량은 414만9717t으로 크게 줄어든 상황에 이르고 있다.
그리고 흑진주처럼 사랑받던 석탄의 고장 강원도 정선지역이 이제는 카지노시로 탈바꿈하였다. 이러한 현장의 변화는 대학에도 많은 영향을 주었으니 우선 자원공학과라는 학과 명칭이 변경되거나 명칭 변경과 함께 학부제라는 명목 하에 다른 학과와 병합되기도 하였다. 예를 들면 서울대학교 자원공학과는 1995년에 토목공학과의 토목전공 및 도시전공과 함께 병합하여 지구환경시스템공학부(School of Civil, Urban and Geosystem Engineering)로서 학부제에 참여하였다.
이를 시발로 하여 각 대학에서도 학과명이 변경되거나 학부제 도입이 시작되었으며, 그 현황은 다음과 같다. 강원대학교 지구시스템공학과, 동아대학교 지구환경공학부, 삼척대학교 자원공학과, 상지대학교 자원공학과, 서울대학교 지구환경시스템공학부, 세명대학교 환경안전시스템공학부, 전남대학교 건설지구환경공학부, 전북대학교 자원공학과, 조선대학교 자원공학과, 청주대학교 환경학부, 한양대학교 시스템응용공학부 등이다.
주요 연구영역
자원공학의 핵심적인 적용범위는 유용자원에 대한 탐사, 개발, 활용 및 관리가 그 대상이 된다. 유용한 자원이라 함은 에너지자원으로서 석유, 천연가스, 석탄, 우라늄 등이 포함되며, 광물자원으로서 철, 동, 금 등의 금속자원과 석회석, 고령토 등의 비금속자원, 그리고 기타 석재, 지하수, 지열, 심해저자원 등이 해당된다.
자원공학을 활용한 또 하나의 적용 분야는 인류가 향후에도 지속적으로 활용할 지하매체를 과학적이고도 체계적으로 규명하는 분야이다. 일반적으로 지하매체란 댐이나 터널, 공업단지, 각종 에너지 비축시설, 핵폐기물 등의 저장소, 수자원의 지하저수장 등 지하공간을 이용하는 것을 의미한다. 즉, 각종 자원의 활용을 위한 지하이용과 관련된 구조물이나 저장소, 처리장소 등을 지하매체라 칭한다. 이러한 지하매체를 이용하기 위하여서는 각종 자원공학 관련 기술이 요구되며, 이를 활용해 보다 체계적으로 탐사할 수 있다.
자원공학에서 다루고 있는 주요 연구영역을 대별(大別)하여 보면 응용지질 및 응용지구과학, 물리탐사, 석유공학, 개발공학 및 암석역학, 광물처리 및 추출야금과 자원경제학으로 구분한다.
응용지질 및 응용지구과학
응용지질은 광상(鑛床)의 구성인자(構成因子)를 연구하는 광산지질(鑛山地質, mineral geology)과 건설공사와 관련되어 지질학적인 조사와 평가를 연구영역으로 하는 지질공학(地質工學, engineering geology)으로 구분한다. 또한 응용지구과학은 지구화학탐사와 환경지구화학으로 구분한다.
① 광산지질은 경제성이 있는 농축체를 지질 및 광물학적으로 조사, 연구하여 광상의 탐사에 활용할 수 있도록 하는 학문이며, 지각의 진화와 동위원소 분석 등의 분야에까지 그 범위가 확대되고 있다.
② 지질공학은 지질학적 원리를 토목구조물을 구성하는데 필요한 부지조사 및 암석의 공학적 평가에 응용하는 분야이다. 지반조사와 지질공학적 지도, 산사태 및 사면의 안정도 등이 여기에 포함된다.
③ 지구화학탐사(geochemical exploration)는 지하에 존재하는 다양한 지하자원의 지표부근 암석이나 토양, 하천 퇴적물, 주변 식물 등을 채취하여 이들에 함유된 구성원소 등을 화학적으로 분석·측정하여 광상을 탐사하는데 필요한 정보를 제공하는 것이다. 지구화학탐사는 주로 광물탐사활동에 많이 이용된다.
④ 환경지구화학(environmental geochemical)은 지표상에 존재하는 원소들의 분포를 측정하고 분석하여 인간이나 동식물의 질병과 건강, 환경오염의 문제 등을 연구하는 학문이다. 토양이나 하천 및 물의 오염, 광산주변의 금속오염, 공장이나 제련소 부근의 환경오염의 문제들을 다룬다.
물리탐사
물리탐사(geophysical exploration)라는 학문은 지하나 해저의 각종 에너지자원의 부존과 관련하여 발생하는 물리적 현상을 측정·해석하고 이를 규명하려는 학문이다. 즉, 각종 에너지자원으로 활용되는 광물자원이나 지하수 등과 관련된 지질구조, 지하구조 등을 탐사하는 학문을 말한다.
물리적 탐사에는 각종 첨단기술이 활용되는데 이는 항공, 지표, 해상 및 지하(시추공 및 갱내)에서 발생하는 물리적 현상을 측정하기 위한 것이다. 물리탐사를 실시하는 목적은 토목건설을 실시하거나 환경보전 및 방재 또는 지구 규모의 여러 문제들을 파악하여 정량화하고, 이를 통해 관련 문제에 대한 해법을 찾고자 하는 것이다.
물리탐사의 종류에는 탄성파탐사, 중력 및 자력탐사, 전기 및 전자탐사, 검증(檢層), 방사능 탐사 및 지열탐사 등 다양한 기술이 활용된다. 탐사방법에 대한 내용은 다음과 같다.
① 탄성파탐사: 탄성파를 지하에 전파시켜 이것이 지층의 경계면에서 반사 또는 굴절하는 현상을 거쳐 지표에 도달하는 전파시가노가 파형을 측정해서 지하구조와 암석의 분포를 규명하는 탐사방법이다.
② 중력 및 자력탐사: 지구 자체가 지닌 중력장과 자력장을 토대로 암석의 밀도 또는 대자율(帶磁率)의 차이에 의한 중력 및 자력의 변화를 측정하여 지질구조의 위치, 모양, 규모 및 특징을 규명하는 탐사방법이다.
③ 전기 및 전자탐사: 광물, 암석 또는 지층의 전기전도도(電氣傳導度)의 차이에 의해 발생하는 전류 또는 자기장의 반응을 측정하여 지하에 대한 정보를 획득하는 탐사방법이다.
④ 검증: 시추공 내에 측정기기를 삽입하여 시추공 주위의 암석이나 지층 등을 연속적으로 탐사하는 방법이다.
석유공학
석유공학(石油工學, oil engineering)은 탐사를 통해 확인된 석유자원(천연가스 포함)을 생산하는데 필요한 모든 기능을 연구하는 학문이다. 석유시추공학(石油試錐工學, petroleum drilling engineering)이나 유정평가, 저류층공학(貯留層工學, reservoir engineering) 및 석유생산공학(石油生産工學, petroleum production engineering)으로 구성되어 있다.
① 석유시추공학: 시추장비, 시설 및 공정, 시추액의 유체역학적 문제, 시추관의 제반문제 등을 다루는 학문이다.
② 유정평가(well testing): 유체투과율, 저류층의 압력, 온도 및 유체의 부피 등 석유의 매장량과 생산능력을 평가하는 학문이다.
③ 저류층공학: 저류층에 존재하는 석유, 천연가스, 물 등에 대한 압력, 부피, 온도, 상태에 대한 정보를 얻기 위하여 물리적으로 평가하는 학문 분야이다.
④ 석유생산공학: 지하에 매장된 석유자원을 최적의 조건으로 생산하는데 필요한 제반 기능과 관련된 분야를 연구하는 학문이다.
개발공학 및 암석역학
개발공학(또는 채광공학)은 석유나 천연가스 등 유체상태의 자원을 제외한 고체형태의 각종 자원을 체계적이고, 효율적으로 개발하는 것을 목적으로 하는 학문이다. 이들 학문에서 주로 다루는 영역은 광산개발계획, 채광, 보안 및 경영문제 등이 있다.
암석역학은 개발공학에 있어 가장 기초가 되는 학문으로 지하구조물이나 터널 주위 암반의 변형현상과 응력분포에 대한 규명, 암석의 물성, 변형, 파괴, 지반침하 및 암반 내 구조물의 설계 등에 관한 공학적 문제들을 연구하는 학문이다. 암석역학에서 중요하게 다뤄지는 또 하나의 분야는 암석물성(巖石物性, physical properties of rock)과 파괴역학(破壞力學, fracture mechanics)으로 암석의 강도와 기타 물리적·역학적 물성이 파괴 후에 어떤 현상을 보이는지를 연구하는 학문이다.
개발공학에서는 발파 및 굴착공학(發破-掘鑿工學, blasting and excavation engineering), 갱도굴착, 채광을 위해 화약발파와 천공(穿孔) 및 굴착작업에 관련된 분야를 다룬다. 구체적으로 산업화약을 다루는 법과 발파설계, 발파에 필요한 천공장비, 굴진작업과 노천채굴에서의 대발파 등에 관한 공학이론과 설계를 다룬다.
광물처리 및 추출야금
광물처리(mineral processing)는 채굴된 광물(석탄 포함)을 기계적·물리적·화학적 조작을 통해 유용광물을 상호 간에 분리, 선별하는 제반 공정 등을 다루는 학문이다. 또한 추출야금(extractive metallurgy)은 정광(精鑛)으로부터 금속을 추출, 분리, 농축 및 회수하는 공정과 관련된 이론 및 실제 금속의 생산을 병행하여 기존 공정의 개선 또는 새로운 공정을 개발하는 것을 목적으로 하는 학문이다.
광물처리 및 추출야금에서는 주로 파쇄 및 분쇄공정, 비중선별(比重選別), 고체 및 액체의 분리공정, 부유선광(浮游選鑛), 침출, 분리 및 정제, 전해공정(電解工程) 그리고 공정 모형화 및 제어 등에 관한 내용을 구체적으로 다룬다.
① 파쇄 및 분쇄: 광석 또는 광물을 다음 공정으로 보내기 위해 입도분포(粒度分布)를 갖게 하는 공정이다.
② 고체·액체 분리공정: 탈수, 농축, 여과 등의 공정이다.
③ 부유선광: 소수성(疏水性)·친수성(親水性)의 차이를 이용하여 광물을 분리하는 공정이다.
④ 침출(浸出, leaching): 광석이나 정광을 수용액에서 녹여내고 맥석 또는 불순물을 불용성인 잔사에 남겨 분리시키는 공정이다.
⑤ 전해공정: 전해질(電解質) 수용액 또는 용융염의 이온전도체에 전류를 흘려 전기화학적 변화에 의해 금속을 생산하는 공정이다.
자원경제학
자원경제학(資源經濟學, minera economics)은 에너지 및 광물자원의 평가 및 개발에 관한 경제성을 연구하고 관련 산업에 대한 현황과 트렌드, 국제시장의 자원수급과 관련된 현황과 자원정책 등을 개발하는 것을 목적으로 하는 학문이다.
학회
자원공학에 관련된 주요 학회로는 한국자원공학회와 한국암반공학회를 들 수 있다. 이들 두 학회는 각각 ≪한국자원공학회지≫와 ≪한국암반공학회지≫를 통하여 연각 각각 50∼60편의 학술논문을 발표하고 있다. 또한 대한광산학회(한국자원공학회의 전신)에서는 1987년 4월에 국제학술심포지엄(석탄 개발 및 보안 국제 심포지엄：International Symposium on Coal Mining and Safety)을 개최하였으며, 1996년 7월에는 한국자원공학회에서 한·일 암반공학 공동 심포지엄을 개최하였다.
그리고 한국암반공학회에서는 1997년 10월 13∼15일에 ISRM(International Society for Rock Mechanics)의 승인 하에 제1회 아시아 암반공학국제심포지엄(1st Asian Rock Mechanics Symposium：ARMS 1997, a regional conference of ISRM)을 개최하였다. 이 심포지엄에 참가한 나라는 미국·영국·독일·프랑스·중국·일본·러시아 등 19개국에 이르며, 발표 논문편수는 160편, 참가인원은 401명에 달하였다.
참고자료
같이 보기
