MAIN

  • 서 론

  • 연구지역 지질개요 및 채광현황

  • 현장조사

  •   갱내조사 및 연구지역 지하수위 계측

  • Test-bed 광산 지하수위 분석

  •   해석모델

  •   수리특성 해석

  • Test-bed 광산 갱도 안정성 평가

  •   해석모델

  •   갱도안정성 해석

  • 결 론

서 론

환경문제에 의한 노천채광의 개발제한과 고품위 석회석의 채광을 위해서 점차적으로 노천채광에서 지하채광으로 전환되고 있으며, 이로 인해 작업장과 갱도의 대형화 및 심부화로 안전문제에 대한 대책이 필요한 상황이다(Lee, 2004; Sunwoo and Jung, 2006; Kim et al., 2009). 갱내채광 광산의 갱도설계에서는 갱도의 안정성과 채광작업의 효율성을 확보하기 위하여 균열암반의 수리역학적 특성을 고려해야 한다. 특히, 심부 갱도의 경우에는 지하수 유동에 따른 간극수압과 유효응력을 고려하여 갱도 및 광주의 최적 규격을 설정하는 것이 바람직하다. 국외의 경우 캐나다의 Diavik 광산, 칠레의 Escondida 광산, 인도네시아의 Grasberg와 Batu Hijau 광산 등에서는 3차원 수리지질모델을 개발하여 지하수 흐름과 간극수압 분포를 분석하고, 이를 안정성 해석의 입력 변수로 활용하고 있다(Read and Stacey, 2009). 또한 특정 광산을 대상으로 안정성 평가나 적정설계 방안을 제안한 연구가 다수 진행되었다(Marek et al., 2016; Sherizadeh and Kulatilake, 2016; Hemant et al., 2017; Malli et al., 2017). 광산 안정성을 주제로 국내에서 수행된 연구들을 살펴보면, Shin et al.(1996)은 충청북도 단양에 위치한 석회석 광산에 대해 암반분류법과 수치해석을 통해 갱도의 안정성 평가를 실시하였으며, 암반분류와 수치해석을 통해 재개발 광산의 안정성 평가(Jung et al., 2011)와 3차원 수리모델을 활용하여 석회석 광산 갱내로 유입되는 지하수를 예측한 연구(Kim et al., 2013; Kim et al., 2018) 등이 있다.

국내외 연구 동향에서 확인된 바와 같이 국외에서는 갱내채광 광산에 대하여 수리역학적 특성을 고려하여 작업장 및 갱도에 대한 안정성 평가가 다양하게 수행되었다. 하지만 국내의 경우 광산 안정성에 영향을 주는 다양한 인자들, 특히 수리역학적 인자들에 대한 체계적인 분석은 미흡한 실정이다. 따라서 갱내채광 광산을 대상으로 3차원 수리 및 수치해석을 통해 안정성 평가에 대한 연구가 수행될 필요성이 있다. 본 연구에서는 주방식 채광법을 사용하는 석회석 광산을 대상으로 문헌 및 현장조사를 수행하고 상용 수치해석 프로그램을 이용하여 수리역학적 특성을 고려한 갱내채광 광산의 안정성 평가를 수행하였다.

연구지역 지질개요 및 채광현황

연구지역은 충북 청주시에 위치한 갱내채광 석회석 광산이다. 연구지역 일대의 지질은 하부로부터 캠브리아기 백봉리층군(옥천지향사 하위대)에 속하는 미동산층과 운교리층, 이들을 부정합으로 덮고 있는 오르도비스기 옥천층군의 화전리층, 구룡산층, 이원리층, 문주리층, 황강리층, 이후 쥬라기 청주화강암, 보은화강암 및 석영반암이 관입하고 있다(KORES, 2018).

Test-bed 광산의 갱도 규격은 폭 10 m, 높이 6 m이며, 주방식 채광법을 사용하고 있다. Fig. 1은 광산의 개발 현황을 보여준다. 점선을 경계로 A구역은 구채광 지역으로 구1편~구9편까지 개발하던 중 운반거리 증가 및 지하수 다량 출수로 인한 배수문제 등 경제적 채산성의 이유로 개발을 중단하였으며, 현재는 신채광 지역인 B구역에서 신2편~신8편까지 개발 중에 있다.

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Fig. 1.

Test-bed underground mine layout.

현장조사

갱내조사 및 연구지역 지하수위 계측

3차원 수리 및 수치해석을 위해 필요한 불연속면의 특성 및 지하수 출수지점을 파악하기 위해 갱내조사를 수행하였다. 구채광 지역은 갱도접근이 불가능하여 갱내조사는 신채광 지역에 대해서만 수행하였다. 불연속면 조사는 광체 주향방향(굴진방향)으로 129개 지점에서의 절리 방향성과 268개 지점에서의 단층 방향성을 조사하였다. 현장측정값을 바탕으로 Rocscience Inc.의 Dips를 이용하여 절리와 단층의 분포양상을 분석한 결과(Fig. 2), 절리와 단층 모두 2개의 방향성을 나타내는 것으로 분석되었다. Fig. 3은 갱내 지하수 출수 지점을 표시한 그림이다. A~G 지점 모두 건기나 우기에 관계없이 일정량의 지하수가 출수되는 것을 확인하였다. Fig. 4는 광산 주변에 위치한 5개의 국가 지하수 관측망의 위치를 나타내며, Table 1은 2010년 1월부터 2019년 5월까지 계측된 평균 지하수위 나타낸 것이다.

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Fig. 2.

Attitude of major faults and joints.

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Fig. 3.

Observation of mine inflow.

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Fig. 4.

Location of the observation well for underground water level measurement.

Table 1. Average groundwater level information measured on the national supplementary groundwater observation well (National Groundwater Information Center, 2019)

Obs.-1 Obs.-2 Obs.-3 Obs.-4 Obs.-5
Measured level (GL. m) 9.91 m 4.35 m 7.88 m 10.22 m 13.71 m

Test-bed 광산 지하수위 분석

수리해석을 위해 사용한 소프트웨어는 Itasca Inc.에서 개발한 MINEDW이다. MINEDW는 갱내 및 노천광산의 3차원 배수 시뮬레이션에 특화된 소프트웨어이며, 유한요소법에 기반을 두고 있다.

해석모델

해석영역은 test-bed 광산을 중심으로 가로(6,655 m) × 세로(5,485 m) 크기로 설정하였고, 격자망(mesh) 구성은 주 관심영역인 갱도가 위치하는 지점에는 격자 크기를 50 m2, 갱도 주변 지역에는 격자 크기를 700 m2, 그 외 지역은 7,000 m2로 구성하였다(Fig. 5(a)). MINEDW에서는 해성영역의 등고선 좌표들을 이용하여 지형변화를 모델에 구현한다. Fig. 5(b)는 수치지형도의 등고선을 추출하여 만들어진 surface 모델을 나타낸다. 고도가 가장 높은 지점인 590 m부터 가장 낮은 지점인 –148 m까지 설정하고 화강암, 석회암, 슬레이트와 주변 수계를 모델에 적용하여 지질모델을 완성하였다. 수리해석에 적용된 수리인자는 문헌을 통해 Table 2와 같이 결정하였다(Heath, 1983; Goodman, 1989; Hubbert, 2000; Assaad et al., 2004; Lewis et al., 2006; Bear and Cheng, 2010; Zghibi et al., 2011; Earle, 2014).

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Fig. 5.

Construction of hydrogeologic model.

Table 2. Hydraulic parameters information entered in the model

Hydraulic conductivity (m/day) Specific storage Specific yield
KX = KY = KZ
Granite 8.64 × 10-6 1.00 × 10-7 0.09
Limestone 8.64 × 10-1 1.20 × 10-4 0.18
Slate 5.00 × 10-8 1.00 × 10-3 0.05

수리특성 해석

모델 내에 국가 지하수 관측망(Fig. 4)과 동일한 지점에 가상의 관측정을 설정한 뒤, 측정된 지하수위 기록을 참고하여 수리지질모델의 측면 경계조건과, 초기 지하수위를 설정하였다(Fig. 6). 모델영역 내에 갱내 지하수 출수가 발생하는 지점에 drain point를 설정하였다. 또한 계절적인 변화에 따른 갱내 출수량 변화를 분석하기 위해 test-bed 광산이 위치한 지역의 과거 10년 치 월별 일 평균 강수량(Table 3)을 적용하였다. 총 해석시간은 2008년 1월부터 2018년 12월까지이며, 한 달 간격으로 해석 결과를 기록하였다.

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Fig. 6.

Selected constant head boundary condition.

Table 3. Average daily precipitation over the last 10 years in the study area (Korea Meteorological Administration, 2019)

Jan. Feb. Mar. Apr. May. Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec.
2008 0.3 1.2 1.8 2.2 3.0 8.0 10.8 7.2 6.2 0.4 0.4 0.5
2009 0.6 0.5 1.8 1.0 3.5 2.6 11.2 6.0 1.7 1.6 1.5 1.3
2010 1.2 2.5 3.2 2.4 3.5 1.4 7.1 14.0 9.3 0.6 0.5 0.8
2011 0.1 1.5 0.8 3.7 3.8 12.0 17.2 9.4 6.1 1.1 3.1 0.5
2012 0.6 0.1 2.1 3.6 1.0 3.1 8.3 15.5 5.4 2.0 1.7 1.9
2013 1.0 1.2 1.5 2.2 3.2 7.7 8.1 5.9 5.4 0.9 2.6 1.2
2014 0.2 0.2 1.6 1.5 1.1 3.1 4.0 6.4 4.9 4.9 0.8 1.1
2015 0.5 0.9 1.4 3.6 0.8 2.8 4.6 1.8 0.7 2.9 3.6 1.3
2016 0.2 1.6 0.4 4.4 2.7 1.3 10.3 2.2 2.6 2.7 0.9 1.3
2017 0.4 1.4 0.3 2.1 0.4 0.6 25.5 7.3 2.6 0.7 0.5 0.7
2018 0.6 1.1 2.6 4.4 3.0 2.1 10.5 8.0 6.8 0.6 2.2 0.4
Average 0.5 1.1 1.6 2.8 2.4 4.0 10.7 7.6 4.7 1.7 1.6 1.0

(Unit: mm/day)

해석 결과, 갱내 평균 출수량이 4,643 m3/day로 현장에서 측정된 평균 출수량 3,744 m3/day에 비해 약 24% 가량 높게 예측되었다. 현장에서 측정된 출수량은 집수정에 모인 갱내수를 펌프를 통해 갱외로 배출하는 양이다. 하지만, 갱내에서 출수되는 지하수가 모두 집수정에 모이는 것은 아니기 때문에 실제 갱내 출수량은 3,744 m3/day보다는 다소 많을 것으로 판단된다. Fig. 7은 수리해석 결과 갱도 주변에 형성된 지하수위를 나타낸다. 구채광 지역은 구2편 아래로 모두 지하수에 포화되어 있으며, 신채광 지역은 신7편~신8편 주위에 형성되어 있는 것으로 예측되었다. 지하수위 예측 결과를 토대로 본다면 현재 개발 중인 신채광 지역의 갱도는 지하수 영향에 의한 안정성에는 큰 문제가 없을 것으로 판단된다. 하지만 향후 채광 예정 지역은 지하수위 아래에 위치하고 있어 이에 대한 대책이 필요할 것으로 보인다.

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Fig. 7.

Location of the groundwater table as a result of the hydrogeologic modeling.

Test-bed 광산 갱도 안정성 평가

수치해석에서는 3DEC을 활용하였다. 3DEC은 개별요소법을 사용한 3차원 지반 범용 해석 소프트웨어로 암반의 절리모델 및 해석, 암반과 구조물, 불연속면과 간극을 통한 유체의 흐름 등의 연계해석이 가능한 소프트웨어이다. 안정성 해석에는 지반관련 수치해석에서 적용사례가 많은 Mohr-Coulomb 모델을 이용하였다. Test-bed 광산의 갱도는 석회암 지역에 존재(Fig. 8)하여 수치해석의 입력변수는 석회암 물성치를 적용하였다(Table 4). 적용된 암반 물성치는 한국지질자원연구원에서 test-bed 광산에서 실시한 현장 시험 결과를 사용하였으며(KIGAM, 2018), 불연속면의 물성치는 문헌을 통해 결정하였다(Lee and Choi, 2019).

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Fig. 8.

Geologic map of test-bed mine (KORES, 2018).

Table 4. Properties of intact rock and discontinuities for numerical analysis

Intact rock
Density (kg/m3) Bulk Modulus (GPa) Shear Modulus (GPa) Friction angle (°) Cohesion (MPa)
2,700 16 17 41.05 5.378
Discontinuities
Normal Stiffness (GPa/m) Shear Stiffness (GPa/m) Friction angle (°) Cohesion (MPa)
6.74 7.41 32 0.22

해석모델

해석영역의 크기는 갱도를 중심으로 가로 635 m, 세로 1,340 m, 심도 –150 m 하부를 경계로 현장조사에서 측정된 불연속면을 반영하여 378,064여개의 요소로 모델을 구현하였으며, 향후 개발 예정인 신9편~신12편(EL. 35~‑49 m)을 모델에 적용하였다(Fig. 9). 수치해석 시 지반의 경계조건은 수평방향 변위를 구속하고 수직방향 변위만을 허용하였고, 모델의 바닥면에서는 변위를 모두 구속하였다. 상기 조건하에서 중력만 작용시켜 2,000,000 step까지 해석을 수행하였다.

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Fig. 9.

Construction of numerical model. (a) Numerical analysis model. (b) Mine layout with application of additional adits.

갱도안정성 해석

현재 구채광 지역은 개발이 중단되고 폐쇄된 상태이므로 실질적으로 채광활동이 이루어지는 신채광 지역을 중점적으로 분석하였다. 해석 방법은 수리해석에서 산정된 간극수압을 수치해석의 입력변수로 사용하여 갱도의 안정성 평가를 수행하고, 간극수압을 고려하지 않은 해석 결과와 비교하였다. 해석단면은 안정성이 가장 취약한 지점과 이 지점에서부터 굴착방향으로 300 m 떨어진 지점을 해석단면으로 결정하였다(Fig. 10).

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Fig. 10.

Location of cross section.

간극수압이 적용된 Fig. 11(a)의 1번 단면의 경우 안정성이 가장 취약한 지점으로 신3편~신6편 광주에서는 안전율이 0.51~0.87로 신7편~신12편 광주에 비해 안전율이 다소 낮게 나타났다. 간극수압을 고려하지 않은 Fig. 11(b)의 1번 단면과 비교했을 때, 지하수의 영향을 받는 신8편~신12편의 광주 안전율은 약 18% 감소하는 것으로 나타났다.

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Fig. 11.

Distributions of computed factors of safety on cross section. (a) Cross section of No. 1 with pore pressure. (b) Cross section of No. 1 without pore pressure. (c) Cross section of No. 2 with pore pressure. (d) Cross section of No. 2 without pore pressure.

간극수압이 적용된 Fig. 11(c)의 2번 단면의 경우 안전율은 대부분 1.62 이상으로 나타났으며 간극수압을 고려하지 않은 Fig. 11(d)의 2번 단면과 비교했을 때, 지하수의 영향을 받는 신9편~신12편의 광주 안전율은 약 18% 감소하는 것으로 나타났다.

신채광 지역 및 향후 개발 예정 지역에 대한 안정성을 평가한 결과, 전반적으로 갱도 안정성은 확보된 것으로 판단된다. 다만, 1번 단면에서 안전율이 낮게 나타난 지점의 경우, 다른 구간에 비해 편과 편 사이를 지지하는 상하부 광주의 높이가 평균 4~5 m로 다른 지점에 비해 약 50~60% 낮게 형성되어 있어 이에 대한 영향으로 해석된다.

결 론

본 연구에서는 3차원 수리 및 수치해석을 수행하여 test-bed 광산의 수리역학적 특성을 고려한 균열암반의 안정성 평가를 수행하였다. 연구의 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 수리지질모델에 의한 갱내 평균 출수량 분석 결과, 현장에서 측정된 출수량에 비해 약간 높게 나타났다. 그러나 현장에서 측정된 출수량 데이터는 주집수정에서 펌프를 통해 갱외로 배출되는 양이기 때문에 암반 균열을 통한 누수량을 고려하면 예측 자료는 어느 정도 신뢰성을 갖는다고 판단된다.

(2) 지하수위를 분석한 결과, 향후 채광 예정인 하부 갱도의 경우 갱내 출수량이 급격하게 증가될 것으로 예측되어 적절한 추가 배수시스템의 설계가 필요할 것으로 판단된다.

(3) 갱도 안정성 평가 결과, 광주의 안전율은 대부분 1.3 이상으로 나타나 현재의 암반 조건이 유지될 경우 전반적인 갱도 안정성에는 큰 영향이 없을 것으로 예측되었다. 다만, 상하부 광주의 높이가 낮게 형성된 일부 지점의 경우 갱도 안정성을 위해 보완 작업을 수행하는 것이 바람직할 것으로 보인다.

(4) 간극수압이 갱도 안정성에 미치는 영향을 분석한 결과, 간극수압의 영향을 받는 광주의 안전율이 약 18% 감소하는 것으로 나타나 갱도 안정성에 상당한 영향을 미치는 것을 확인하였다.

(5) 본 연구에서 구축된 3차원 수리 및 수치해석 모델을 통해 광산개발이 진행되는 동안에 채광계획 수립을 위한 유용한 도구로 활용이 가능할 것으로 기대되며, 추가적인 갱내 정밀지질조사와 장기적인 현장 모니터링을 통해 주기적으로 모델 보정이 이루어진다면, 모델링 결과에 대한 정확도를 더 높일 수 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgements

이 논문은 2019년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(NRF-2019R1I1A3A01061863)의 결과이다. 또한, 2017년도 강원대학교 대학회계 학술연구조성비(관리번호-520170160)로 기본 조사를 수행하였으며, 지원에 감사드린다.

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10.1002/hyp.7948
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