서론

광물찌꺼기(tailings)는 유용한 광물을 물리적 및 화학적으로 선별하는 선광과정에서 발생되는 미립의 집합체로 청화제련(Cyanidation) 및 아말감법(Amalgamation) 등에 사용된 화학약품이 포함될 수 있다. 이러한 광물찌꺼기는 활용가치가 떨어지는 폐기물로 간주되어 과거 광산개발 당시 운반이 용이한 광산부지 및 주변에 적치되었으며, 광산 규모에 따라 적치 규모는 다양하게 분포하고 있다(MoE, 2007). 이렇게 방치된 광물찌꺼기는 광상이 생성된 환경과 지질 특성에 따라 함유하고 있는 성분에 차이가 있지만 주로 석영, 운모류, 황철석, 섬아연석 및 탄산염광물 등을 포함하고 있다(Lee et al., 2010). 이러한 광물찌꺼기가 산소 및 물에 노출될 경우 황화광물의 산화작용에 의하여 주변 자연수의 pH를 낮추게 되며 이렇게 발생된 산성수는 주변 환경에 영향을 미칠 개연성이 높다(Chon et al., 2005; Lee et al., 2010). 특히, 광물찌꺼기는 광산 부지 사면 및 계곡부에 적치되어 집중강우 및 태풍 등에 의해 하부 수계를 따라 유실되어 오염이 확산될 수 있다. 대표적으로 제2연화광산의 경우, 2003년 태풍 ‘매미’에 의해 광물찌꺼기가 유실되어 하부 가곡천으로 유입되었고 2009년 7월 집중강우에 의해 광물찌꺼기 복원공사 중 광물찌꺼기가 유실되는 사고가 발생하였다(YNA, 2018).

한국광해관리공단에서는 광물찌꺼기에 대한 환경오염을 최소화하기 위하여 광물찌꺼기 유실방지사업을 수행하고 있다. 현재 광물찌꺼기에 의한 광해발생은 금속광산에서 238개소로 조사되었고(MIRECO, 2015), 1단계 광해방지사업 추진('07~'11년)에서 64개소, 2단계 광해방지사업 추진('11~'16)에서 36개소 및 3단계 광해방지사업 추진('17~'21)에서 12개소(17년 기준)로 총 112개소에 대한 광물찌꺼기 유실방지사업이 진행되었다(MIRECO, 2018). 이러한 광물찌꺼기 유실방지사업은 주로 광물찌꺼기를 매립 ․ 차단함으로써 주변에 영향을 최소화 하는 방안이 적용되었으며, 일부지역에서는 광물찌꺼기 내 유해 중금속을 제거하여 무해화 시키는 방안도 적용되었다(Park, 2011; Yun et al, 2015). 최근에는 광물찌꺼기 유실방지사업이 순차적으로 진행됨에 따라 광물찌꺼기적치장의 유지 및 관리에 있어 중요성이 부각되고 있다. 특히, 유실방지사업 이후에도 지속적으로 광물찌꺼기의 비산, 유실 및 침출수 유출의 환경 문제를 유발하고 있어 이에 대한 유지보수 및 관리방안에 대해 기초적인 연구가 진행되었다(Oh et al 2016; MIRECO, 2016). 하지만 이러한 연구는 단순 육안관찰에 의한 평가방안 수립에 기초를 두고 있으며, 적치장 건설 후 하자원인을 파악하는데 주목적이 있어 광물찌꺼기적치장의 실시간 및 표준화된 안전 모니터링에 한계가 있다. 또한 광물찌꺼기적치장의 파괴 및 붕괴 예측을 통해 사전에 환경오염을 예방할 수 있는 방안이 부족한 현실이다.

따라서 본 연구에서는 광물찌꺼기적치장 파괴 및 붕괴 사고에 선재적으로 대응하기 위한 방안 마련을 위하여 저수지 댐과 같은 타 분야 기술 사례를 검토하고 국내 광물찌꺼기적치장 안전모니터링을 위한 요소 분석 및 적정 계측센서를 도출하였다. 이를 통해 국내 광물찌꺼기적치장의 중․장기적인 모니터링 및 효율적 안전관리에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

국내․외 광물찌꺼기적치장 안전관리를 위한 사례 연구

광물찌꺼기적치장은 적치장 내 광물찌꺼기를 외부 환경으로부터 격리시켜 발생될 수 있는 오염영향을 최소화하는데 목적이 있다. 하지만 광물찌꺼기적치장 규모, 위치, 구조물 및 시설물이 시간적 ․ 물리적 ․ 환경적 특성에 따라 구조물의 파괴 및 붕괴 등으로 주변 환경에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 국외 광물찌꺼기적치장 관리방안 사례를 검토하고, 국내 저수지 댐(fill dam) 및 제방 등에 적용된 유사 기술을 검토하여 광물찌꺼기적치장 안전에 영향을 미치는 요소를 분석하고 이러한 결과를 활용하여 적정 계측센서를 도출하였다.

국외 광물찌꺼기적치장 관리 사례

캐나다 광산협회(The Mining Association of Canada)에서는 광물찌꺼기적치장 유지관리를 위하여 ‘광물찌꺼기 시설물 관리 가이드(A Guide to the Management of Tailings Facilities)’를 운영하고 있다. 이 지침서는 1998년 처음 발행되었으며, 주요 목적은 광물찌꺼기적치장 시설물의 안전과 환경 정보를 제공하고, 관리시스템의 개선방안 지원 및 관리체계와 적용가능한 공학적 기술 적용에 있어 일관성을 확보하기 위하여 제정되었다. 최근에는 광물찌꺼기적치장의 물리적 ․ 화학적 안정성에 중점을 두고 기존 지침을 발전시키고 있다. 대표적으로 부지별 가장 적절한 기술 적용을 위해 위해성평가를 적용시켰으며, 위험성 관리를 위한 식별, 실행 및 모니터링을 위한 관리기준 설정과 광물찌꺼기적치장 안전을 보장할 수 있는 방안 및 객관적인 검토를 수행할 수 있는 독립적 검토 방안을 추가하였다(MAC, 2017). 특히, 광물찌꺼기적치장의 가동 시기부터 폐쇄 후까지 안전한 운영, 유지 보수 및 감시(Operation, Maintenance and Surveillance)를 위한 지침을 별도로 마련하여 운영하고 있다(MAC, 2011). 이 별도 지침서에서 광물찌꺼기적치장의 일반적인 감시수단을 육안관찰과 기기 계측으로 구분하고 있으며, 핵심요소를 여유고(freeboard), 침출수 유출량(seepage rate), 적치장 구조 변의(containment structure displacements), 공극수압(pore pressures) 및 침출수와 주변 지표수의 화학성분으로 판단하고 있다(Table 1).

Table 1. Typical surveillance parameters (MAC, 2011)

Azam and Li(2010)에 의하면, 전 세계적으로 발생된 광물찌꺼기적치장 사고는 2000년대 이전 198건에서 2000년대 이후 20건으로 보고되었으며, 알려지지 않거나 통계에 포함되지 않은 사건을 포함하면 더 증가할 것으로 보고 있다(Fig. 1). 또한 이러한 광물찌꺼기적치장 파괴 및 붕괴 원인으로는 비정상적인 강우량과 부적절한 적치장 관리방법으로 판단하였다. 즉, 기후변화와 같은 기상이변, 배수시설 관리 미흡 및 부적절한 장기모니터링에 의한 침출수 발생, 사면 불안정, 기초붕괴, 월류 및 구조결함이 광물찌꺼기적치장 파괴 및 붕괴의 주요 원인으로 평가하였다(Fig. 2).

Fig. 1.

Tailing dam failure events over time (Azam and Li (2010).

Fig. 2.

Tailing dam failure distribution by cause (Azam and Li (2010).

Martin and Davies(2000)에 의하면, 광물찌꺼기적치장은 일반적인 담수용 댐에 비해 물리적(역학적) 안정성뿐만 아니라 환경적 요소도 고려되어야 하며, 광물찌꺼기적치장의 손상 또는 붕괴 사고를 예방하기 위하여 적치장의 건설, 운영, 해체 또는 폐쇄 등을 포함한 모든 단계에서 적절한 감시프로그램 운영이 필요한 것으로 평가하였다. 특히, 이러한 프로그램은 단순 계측기 판독과 데이터의 저장 및 활용뿐만 아니라 모든 책임자 또는 관리자들이 위험의 인지, 적절한 지원과 협력, 정확한 자료의 해석과 보고 및 명확한 의사소통이 함께 이루어져야 한다고 판단하였다. 또한, 광물찌꺼기적치장의 파쇄 및 붕괴의 경우를 상부매립, 물질의 이동, 내부의 침식과 상부의 침식으로 구분하여 각 형태별 경고 단계, 감시용 측정 단계 및 해석단계로 감시 프로그램을 구성하였고 최종적으로 피드백을 통해 지속적으로 관리하도록 하였다.

Hu and Liu(2011)에 의하면, 광물찌꺼기적치장 댐의 안전에 영향을 미치는 주요 요소를 변위, 포화 선, 강우량 및 댐 마루 길이 등으로 평가하였으며, 이러한 요소들에 대하여 수위 모니터링, 수평 및 수직 변위 모니터링과 적치장의 변화를 관찰할 수 있는 영상 감시 모니터링 등이 필요한 것으로 평가하였다.

최근에는 광물찌꺼기적치장의 효율적 안전관리를 위하여 육안 및 기기 계측에서 나아가 사물인터넷(Internet of Things; IoT)과 클라우드 컴퓨터(Cloud Computing; CC)를 통합하여 실시간 모니터링 및 수치시뮬레이션을 기초로 한 사전 경보 시스템(Pre-alarm System based on Real-time Monitoring and Numerical Simulation using Internet of Things and Cloud Computing; PSRMNS-IOTCC)을 개발하였다(Dong et al., 2017). 이 사전 경보 시스템은 감지계층, IOT계층, CC계층 및 응용계층으로 총 4개의 계층으로 구분하였다. 여기서 감지계층은 정수압, 상류 강우량, 수위, 수평 변위, 내부 변형 및 스트레스, 내부 침투, 파괴 및 침하 모니터링 등을 포함하고 있다(Fig. 3).

Fig. 3.

The schematic diagram for the tailings dam with safety monitoring (Dong et al., 2017).

국내 관련 사례

한국광해관리공단

한국광해관리공단은 2012년 ~ 2016년까지 기존에 완료된 21개의 광물찌꺼기 유실방지사업지를 대상으로 광물찌꺼기 유실방지사업지 사후모니터링 및 안정성평가와 관련한 연구를 수행하였고 관리 대상별 점검항목을 지속적으로 보완하고 정량적 기준에 의해 평가가 이루어지도록 발전시켜왔다(MIRECO, 2016). 이 연구에서는 광물찌꺼기적치장 모니터링은 크게 “사후 모니터링”과 “옹벽구조물 안정성 평가”로 구분하였고, 각각의 관리대상 항목 및 점검항목을 Table 2에 정리하였다. 또한, 점검항목에 따른 평가기준은 관리 대상이 준공 또는 보수한 상태를 유지하는지와 기능이 정상적으로 유지되는지를 평가하여 상태에 따라 관리 대상별 차등 등급을 설정하고 등급별 배점을 부여함으로써 정략적 평가가 가능하도록 설계하였다(Table 3).

Table 2. Monitoring item of tailing dams (MIRECO, 2016)

Table 3. Standard of monitoring and evaluation (MIRECO, 2016)

하지만 이러한 사후 모니터링 및 옹벽구조물 안정성 평가는 우선적으로 육안관찰에 의존하고 있으며, 관리대상에 따라 토양 오염도검사 및 이화학분석, 투수시험, 수질검사 및 측량 등의 추가적인 모니터링을 수행하도록 권고하고 있으나 이에 대한 자세한 평가기준 및 활용방안은 미흡한 실정이다.

한국농어촌공사

광물찌꺼기적치장은 아니지만 한국농어촌공사는 댐이 완공된 후 댐 구조물의 손상 및 이상거동 여부에 관한 정보를 관리주체에 조기에 제공함으로써 그에 따른 대책을 세울 수 있도록 하여 댐의 안전성을 확보하기 위해 수리시설물 재해예방 계측시스템 설치사업을 실시하고 있다(KRC, 2018). 최근에는 저수지 붕괴에 따른 인적 ․ 물적 피해 최소화를 목적으로 ICT기반 예보 기준 마련과 첨단 센싱기술 적용을 위한 붕괴예보 시스템 표준안 및 관리기준 마련을 위한 연구를 진행하였다(MAFRA & KRC, 2017). 특히, 저수지 붕괴 원인을 월류와 파이핑을 주요원인으로 분석하고 월류를 파악하기 위한 수위계 중심의 경보 체계를 수립하였으며, 파이핑을 파악하기 위한 지하수위계, 누수계 및 전기비저항탐사 센서를 활용하여 예보 중심의 계측체계를 수립하였다. 또한, 슬라이딩을 파악하기 위하여 지표변위계 및 이미지센서 기술을 활용할 수 있을 것으로 평가하였고, Fig. 4와 같이 붕괴유형별 계측센서를 도출하였다.

Fig. 4.

Diagram of monitoring equipment by types of collapse (MAFRA and KRC, 2017).

최근 한국농어촌공사에서 운영하는 계측시스템의 대표지역인 석동 저수지(필댐 형식, 제방높이 27.6 m, 제장 174 m 및 제장폭 7 m)의 경우, 누수계측을 위하여 전기비저항탐사, 침유선 수위관측, 누수량 측정, 온도 누수계 및 다점온도 등을 활용하고 있으며, 변위계측을 위하여 사면변위측정 및 CCTV를 활용하고 있다(MAFRA & KRC, 2017; Table 4).

Table 4. Installation status of measurement system in Seokdong reservoir, Korea (MAFRA and KRC, 2017)

광물찌꺼기적치장 안전 모니터링을 위한 계측 방안

광물찌꺼기적치장 안전 모니터링을 위하여 국내외 사례를 활용하여 적치장 안전에 영향을 미치는 요소를 분석하고 계측항목 설정 후 적절한 센서를 도출하는 순으로 안전 모니터링 방안을 마련하였다.

광물찌꺼기적치장 안전에 영향을 미치는 요소 분석

광물찌꺼기적치장 안전 모니터링 요소 분석을 위하여 요소 분석 절차를 수립하였다. 요소 분석 절차는 광물찌꺼기적치장의 파괴 및 붕괴와 관련된 적치장 결함과 적치장 결함을 평가할 수 있는 결함의 지표로 구분할 수 있으며, 이러한 결함 지표를 측정할 수 있는 계측항목을 선정하는 과정으로 절차를 수립할 수 있다(Fig. 5).

Fig. 5.

Flowchart of evaluation monitoring items for safety management of tailings dam.

여기서 파괴 및 붕괴 유형은 광물찌꺼기적치장이 자연적 및 인위적으로 파괴․붕괴되어 광물찌꺼기의 노출 및 유실을 말하며, 강우 및 지표수 등이 적치장 내로 유입되어 침출수가 유출되는 것을 의미한다. 또한 적치장 결함은 광물찌꺼기적치장에서 발생되는 식생, 복토층, 차수층, 광물찌꺼기, 사면, 우수배제시설, 침출수, 콘크리트 옹벽 및 석축의 결함을 의미하며, 파괴 ․ 붕괴와 직접적인 항목들을 말한다. 결함의 지표는 적치장 결함 계측을 위한 세부적인 내용이며, 계측항목은 결함의 지표를 계측하기 위한 계측기기 및 방법 등을 의미하고 각각에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

파괴․붕괴 유형

광물찌꺼기적치장의 파괴 및 붕괴로 인해 발생될 수 있는 환경문제는 광물찌꺼기 노출, 비산 및 유실과 침출수 발생에 따른 문제로 구분할 수 있다. 이러한 관점에서 광물찌꺼기적치장의 파괴 및 붕괴는 크게 3가지로 구분하였다. 즉, 광물찌꺼기 노출 및 지표수 유입과 관련된 ① 표면 침식(surface erosion), 침출수 유출과 관련된 ② 파이핑(piping), 광물찌꺼기 노출 및 침출수 유출과 관련된 ③ 사면 불안정(slope instability)으로 구분하였다.

광물찌꺼기적치장 결함

광물찌꺼기적치장 파괴 및 붕괴와 직접적으로 관련이 있는 항목들은 Oh et al.(2016)과 MIRECO(2016) 등을 참고하여 ① 콘크리트옹벽 및 ② 석축 등의 옹벽구조물과 ③ 차수층, ④ 복토층, ⑤ 사면, ⑥ 광물찌거기, ⑦ 침출수, ⑧ 식생 및 ⑨ 우수배제시설 등의 일반관리대상 시설물로 구분하여 적치장의 결함을 세분하였다.

결함의 지표

광물찌꺼기적치장의 파괴 및 붕괴의 사전 예측을 위한 결함의 지표는 표면 침식, 파이핑 및 사면 불안정으로 구분하여 적치장 결함을 세분한 후 결함의 지표를 고려하였다(Table 5). 표면 침식(surface erosion)의 경우, 광물찌꺼기적치장의 상부 표면에 관련한 사항으로 식생, 복토층 및 광물찌꺼기 문제가 여기에 해당된다. 파이핑(piping)은 광물찌꺼기적치장 내 ․ 외부의 물과 관련된 사항으로 차수층, 우수배제시설 및 침출수 문제가 여기에 해당된다. 사면 불안정(slope instability)은 광물찌꺼기적치장의 적치 사면 및 구조물과 관련된 사항으로 사면, 콘크리트 옹벽 및 석축의 결함이 여기에 해당된다.

Table 5. Indicator of defect for monitering

광물찌꺼기적치장 계측항목

광물찌꺼기적치장의 계측 항목은 육안, CCTV 및 계측기 관측 여부로 구분하여 Table 6에 정리하였다. 즉, 표면 침식의 경우 주로 육안관측 및 CCTV 등에 의한 시각적 관측이 가능하며, 파이핑과 사면 불안정은 육안관측과 계측기 관측을 통해 수행하는 것이 효율적인 것으로 구분되었다. 이러한 구분을 통해 표면 침식, 파이핑 및 사면 불안정에 대한 계측항목 및 관측 장비를 구분할 수 있으며, 각각의 관측대상 계측항목에 대한 구체적으로 방안을 정리하면 Table 7과 같다.

Table 6. Types of surveillance methods for safety management of tailings dam

Table 7. Monitoring items and equipments for safety management of tailings dam

광물찌꺼기적치장 안전 모니터링 적정 센서 도출

광물찌꺼기적치장 안전 모니터링을 위한 계측항목과 파괴․붕괴 모드와의 관련성을 종합적으로 Fig. 6과 같이 정리하였다. 그림에서 보는바와 같이 전반적으로 광물찌꺼기적치장 안전 모니터링을 위하여 CCTV의 활용도가 가장 높게 나타났으며, 전기비저항탐사, 음향계측기, 다점온도모니터링, 구조물경사계, 강우량계 및 유량계 등의 활용도가 높은 것으로 평가되었다. 여기서 활용도가 높게 나타난 CCTV의 경우, 실시간 관측이 가능한 장점을 가지고 있고, 광물찌꺼기적치장의 식생 및 토양피복 상태, 배수로 막힘 및 파손, 옹벽시설 및 사면의 붕괴 등 다양한 현장 상황에 대해 많은 정보를 제공할 수 있다. 또한, 특정 주기별로 측정이 가능한 전기비저항탐사 및 다점온도모니터링은 침출수 유출 및 적치장 내 지하수 유동을 파악하는데 활용될 수 있고 구조물경사계 및 음향계측기는 급경사지 상시계측에 활용될 수 있는 장비로 광물찌꺼기적치장 옹벽 및 사면에서 미소진동과 구조물변형 등을 파악하는데 적용된다.

Fig. 6.

Diagram of monitoring items and equipments for safety management of tailings dam.

광물찌꺼기적치장 적정 계측센서 적용 방안

한국광해관리공단에는 19개 광산 22개소에 대해 수행된 적치장별 사후 모니터링 결과, 중대결함으로는 우수배제시설이 19개소에서 가장 많이 발생했으며, 이 외에도 복토층, 광물찌꺼기, 차수층, 침출수, 사면, 옹벽구조물 및 식생 등에서 결함이 발견되었다(MIRECO, 2016). 이러한 중대결함의 원인을 살펴보면, 우수배제시설의 경우 이물질에 의한 막힘 현상이 주로 발생하였고, 복토층은 기상현상 등에 의한 토양 유실, 광물찌꺼기는 복토층 유실에 따른 광물찌꺼기 노출 및 유실 등이 주요 원인으로 작용하였다. 차수층은 배수불량 및 복토층 유실에 의해 훼손될 수 있으며, 침출수는 강수의 적치장 내 유입과 지하수위 상승이 주요 원인으로 작용하였고 사면은 사면하부 구조물 변형 및 급경사 등이 결함의 원인으로 작용할 수 있다. 또한, 옹벽구조물 결함은 주로 하천과 인접한 경우 발생되는데 이는 하천수에 의한 세굴이 주요 원인이며, 식생불량은 토양의 오염이나 부적합 토양 사용 및 양분 결핍에 의해 결함이 발생될 수 있다. 이러한 적치장 결함 요소와 원인을 고려하여 광물찌꺼기적치장 안전 모니터링을 위한 계측항목을 설정하였다. 즉, 19개 광산 22개소 중 결함이 확인된 20개소(18개 광산)를 중심으로 주요결함과 발생원인 및 계측 장비의 특성을 고려하여 적용 가능한 계측 장비를 선정하였다(Table 8).

Table 8. Evaluation on safety investigation of 20 selected tailings dam and the best maintaining methods

결론

광물찌꺼기적치장 안전 모니터링을 위하여 적치장 안전에 영향을 미치는 요소를 분석하고 적용 가능한 계측장비를 검토하였다. 또한 이러한 결과를 활용하여 현재 국내 광물찌꺼기적치장에서 발생되는 결함에 대해 적용 가능한 계측장비를 선정하였다.

광물찌꺼기적치장 안전에 영향을 미치는 요소 분석은 파괴 및 붕괴 유형, 적치장 결함, 결함의 지표 및 계측 항목 순으로 설정하여 요소분석 수행절차를 확립하고 각각에 대해 세부적으로 검토 하였다. 즉, 파괴 및 붕괴 유형은 표면 침식, 파이핑 및 사면 불안정으로 3가지 평가영역으로 구분하였다. 이를 다시 적치장 결함에서 표토 침식의 경우, 식생, 복토층 및 광물찌꺼기로 세분하였으며, 파이핑은 차수층, 우수배제시설 및 침출수로 구분하였다. 또한, 사면 불안정은 사면, 콘크리트 옹벽 및 석축으로 구분하여 결함의 지표 및 계측 항목을 설정하였다. 이러한 결과를 활용하여 국내 19개 광산 22개소 중 결함이 확인된 20개소(18개 광산)를 중심으로 광물찌꺼기적치장에서 발생되는 결함에 따라 적용 가능한 계측 장비를 선정하였다. 그 결과, 국내 광물찌꺼기적치장의 결함은 주로 파이핑과 관련된 차수층, 우수배제시설 및 침출수에서 결함이 발견되어 CCTV의 활용이 높게 평가되었으며, 전기비저항탐사, 음향계측기, 다점온도모니터링, 구조물경사계, 강우량계, 유량계 및 지하수위계 등을 활용한 모니터링이 필요한 것으로 평가되었다. 특히, 국내 광물찌꺼기 유실방지사업이 2007년부터 시작됨에 따라 10여년이 지난 현재 주요 결함이 우수배제시설 및 침출수 등으로 CCTV의 활용이 높게 평가되었으나, 향후 적치장 시설의 노후화 및 기상현상에 의한 구조물의 파손 등으로 인하여 적치장 안전 모니터링을 위한 다양한 계측기기의 활용이 높아질 것으로 판단된다.

다만, 현장 적용성에 있어서 계측장비의 설치, 유지 및 관리 등의 경제성에 대한 검토가 필요하며, 자료의 획득 및 활용 방안에 대한 사전 연구가 필요하다. 특히, 활용도가 가장 높을 것으로 판단되는 CCTV의 경우, 촬영 대상 및 각도(수평․수직 가동범위, 확대․축소), 해상도, 야간조명․야간감시 등에 따른 문제와 대용량 정보의 송수신에 대한 검토가 필요하다.