배 경

최근 일상생활뿐만 아니라 정부의 각종 발표자료와 여러 언론 매체에서 흔히 볼 수 있는 단어가 ‘IT’ 또는 ‘ICT’ 이다. ICT란 정보통신기술(Information and Communication Technology)의 약자로 정보기술(Information Technology)을 가리키는 IT에 통신을 의미하는 Communication이 결합된 용어라고 설명하는 경우도 있으며, 인터넷, 휴대전화 등의 하드웨어 기술 및 이를 운영하는 프로그램을 총칭함으로써 보다 넓은 의미를 가진 IT의 한 부분으로 정의하는 경우도 있다. IT와 ICT에 대해 한국정보통신기술협회가 제공하는 인터넷 정보통신용어사전은 IT(Information Technology, 정보기술)를 다음과 같이 정의한다(TTA, 2016). ‘정보의 생산과 획득, 가공 처리 및 응용에 관련된 모든 기술. 초고속 인터넷, 이동 통신, 광통신, 홈 네트워크 등 통신 기술과 컴퓨터, 소프트웨어, 데이터베이스, 멀티미디어 등 정보 기술의 융합에 따른 정보통신기술(ICT: Information and Communication Technology)이 핵심이다.’

먼 과거, 광산에서는 사람이나 동물의 힘에 의존하여 생산활동을 하였으나, 산업화를 거치면서 내연기관이나 전기를 동력으로 하는 강철도구가 도입되며 비약적인 생산량 증대를 이룰 수 있었다. 1970년대 이후에는 소형 컴퓨터가 보급되면서 광산에서도 다양한 분야에서 컴퓨터를 이용한 공정제어나 생산관리 기법이 도입되었으며, 기계화를 기반으로 구축된 광산의 기존 운영 체계는 보다 생산적이고 효율적인 시스템으로 바뀌기 시작했다. 21세기에 들어서면서 컴퓨터는 비약적으로 발전한 통신기술과 결합하면서 과거에는 상상하지 못한 많은 양의 정보를 생산하고 유통시키는 매개체가 되었다. 이러한 현상은 현존하는 모든 산업분야와 일상생활에서 공통적으로 나타나는 현상이다. 광업분야에서도 ICT에 기반한 새로운 공정제어 기법과 자동화/무인화 기술, 통신기술, 최적화 기술들이 도입되면서 이로부터 만들어진 많은 양의 정보를 어떻게 처리하고, 이것을 의사결정에 어떻게 활용하는 지가 광산운영의 존폐를 결정하는 핵심이 되었다(Basak, 2006).

광산에서 ICT의 역할

Fig. 1은 광산운영 중 ICT와 관련된 영역을 요약한 그림이다. 광산활동 중 생산되는 정보는 탐사를 포함한 광체에 대한 지질정보, 생산계획과 관련한 정보, 생산실적에 대한 정보, 계획 대비 실적에 대한 reconciliation 정보, 설비운영에 대한 정보, 장비운영에 대한 정보, 인력운영에 대한 정보, mass flow에 대한 정보, 자재운영에 대한 정보, 비용과 현금 흐름에 대한 정보, 시장에 관한 정보 등 그 종류와 분야가 다양하다. 따라서 광산에서의 ICT는 이러한 정보를 체계적으로 수집하고, 저장하며, 보기 쉽게 표현하고, 다양한 가공을 통해 의사결정에 활용할 수 있게 함으로써 광산운영이 최적화될 수 있도록 한다.

Fig. 1.

Roll of ICT in mine operations.

그러나 광산에서 ICT의 도입이 생산량 증대나 생산성 향상을 목적으로만 이루어지는 것은 아니다. 2008년 시작된 Rio Tinto의 ‘Mine of the Future^TM’ 사업은 ICT를 이용해 광산의 자동화와 무인화를 구축한 가장 대표적인 사업이다. 이 사업의 목표는 더 깊은 곳에서 광물을 채광하면서도 환경영향을 최소화하고, 이전 보다 안전한 작업환경을 제공하기 위한 기술적 진보를 이루는 것이다(Rio Tinto, 2014). 이러한 목표를 달성하기 위해 Rio Tinto는 2008년부터 2010년까지 자동화된 철도운영시스템을 시험운영 하였으며, 2009년부터 2010년에는 무인트럭과 자동 천공기를 시험가동 하였고, 2010년에는 Fig. 2에서 볼 수 있는 바와 같이 호주 Perth에 중앙집중화된 운영센터(Rio Tinto operations center)를 개소하였다. 이후 2012년에는 Komatsu와 연합하여 150대의 무인트럭을 도입하였으며, 같은 해 자동화된 철도운영과 사람이 탑승하지 않는 Caterpillar의 무인 천공기(cab-less drill)를 도입함으로써 광산의 무인/자동 운영체계를 완성하였다.

Fig. 2.

Rio Tinto operations center (Rio Tinto, 2014).

Rio Tinto보다 시작은 늦었지만 BHP Billiton(BHP)은 2013년 Pilbara 지역에 위치한 7개 철광산들을 운영하기 위한 Integrated remote operations center(IROC)를 호주 Perth에 설립하였다. BHP의 IROC는 광산의 장비관리 시스템, 철도 운영 시스템, 광산 및 항만의 설비 제어 시스템 등을 갖추고 있으며, 각각의 사이트에 설치된 고정밀 CCTV와 무선통신 시스템을 이용하여 광산에서 항만에 이르는 전체 시스템을 통합관리한다. 또한 2016년에는 호주 서부지역의 석탄광산을 통합운영하기 위한 IROC를 Fig. 3에서와 같이 Brisbane에 개설함으로써 동부지역의 철광석에 이어 BHP의 주요 자산 중 하나인 석탄 생산과 운송의 효율성을 극대화할 수 있게 되었다. 이러한 통합운영시스템은 광산에서 광석이 채굴되어 철도로 운송되고 항만에서 최종 선적될 때까지의 전체 물류 흐름을 실시간으로 한 눈에 볼 수 있게 함으로써 시장의 변화에 대응한 선제적인 의사결정이 가능하게 한다.

Fig. 3.

Integrated remote operations center of BHP (BHP, 2013).

Rio Tinto와 BHP의 사례에서처럼 광산의 생산활동과 물류를 원격으로 통합관리할 수 있는 것은 모든 단위 공정과 공정 내에서 움직이는 장비와 설비, 공정과 공정간의 연계에서 발생하는 모든 정보를 수집/저장하고 분석하여 다음 경로를 제시하는 과정이 컴퓨터와 무선통신 기술에 의해 실시간으로 제어될 수 있기 때문이다. 즉, 이러한 통합시스템은 기존의 산업화를 통해 이룩한 강철 장비와 이의 동작을 원격 제어하는 기술의 결합 및 전체 장비와 설비의 동작을 모니터링하고 무선통신 기술을 이용해 제어하는 기술이 복합되어 탄생한 것이다.

광산에서 ICT의 현황

광산 계획

일반적으로 광산 운영은 ‘탐사(시추) → 지질 및 시료 분석 → 매장량 평가 → 생산 전략 → 채광설계 → 채광 스케쥴링 → 생산(품위 관리) → 측량 → 생산계획 점검’으로 이어지는 표준적인 절차에 따라 진행된다. 이러한 절차 중 광산계획과 관련한 부분을 보다 상세하게 요약하면 Fig. 4와 같다. Fig. 4에서 발파 및 채광은 생산에 속하며, 측량은 생산 공정에 포함되지만 다음 단계의 계획을 수립하기 위한 기초 자료를 제공한다는 관점에서 계획에 포함시키기도 한다.

Fig. 4.

Mining activities related to mine planning.

광산의 생산계획을 수립하고, 품위를 관리하고, 실적을 평가하기 위해 과거 ‘종이, 연필, 지우개, 자’를 이용하였다면, 광산에 ICT가 도입된 초기에는 AutoCAD^TM나 Excel^TM 등을 이용하였고, 현재는 GEMS^TM, Surpac^TM, MineX^TM, Whittle^TM, MineSched^TM 등의 광산 전문 프로그램을 이용하는 체계로 바뀌었다.

GEMS^TM와 Surpac^TM은 탐사자료를 이용하여 매장량을 평가하고, 광산을 설계하기 위한 용도로 사용되지만, 측량결과를 반영하여 생산실적을 업데이트하고 다음 채광계획을 수립하는 것이 주된 사용 목적이다. GEMS^TM와 Surpac^TM이 주로 금속광물이나 기타 일반적인 광물의 용도로 사용된다면, MineX^TM는 석탄광에 특화된 매장량 평가 및 광산설계 프로그램이라 할 수 있다. Fig. 5는 GEMS^TM로 구축된 3차원 광체 모델의 사례이다. Whittle^TM은 노천채광에서 채광한계(ultimate pit)를 계산하기 위한 pit optimization 도구이다. MineSched^TM는 GEMS^TM나 Surpac^TM 으로 만들어진 광산설계를 스케쥴링하기 위한 도구로 시기별 채광 계획에 따른 생산량과 품위변화를 검토하여 최적의 스케쥴을 작성하는데 사용된다. Fig. 6은 MineSched^TM를 이용하여 채광 스케쥴을 수립한 사례이다. 이러한 프로그램들은 과거 수작업으로 많은 시간이 소요되었던 광산설계 및 스케쥴링 작업을 빠른 시간에 마칠 수 있는 강력한 도구를 제공하기도 하지만, 광산의 운영자 입장에서는 광산의 전체 운영기간에 걸친 완벽한 그림을 그려줄 수 있는 도구로써의 의미가 크다고 할 수 있다.

Fig. 5.

3D ore model constructed by GEMS^TM.

Fig. 6.

A case of mine scheduling using MineSched^TM.

광산에서의 생산계획은 매일 변하는 지형에 기초하여 만들어지며, 생산실적의 평가는 생산으로 바뀐 지형을 측량함으로써 이루어진다. 따라서 광산에서의 측량은 모든 작업의 시작과 끝을 이룬다고 해도 과언이 아니다. 일반적으로 광산에서는 측량을 전담하는 인력을 두거나 제3의 업체를 고용하여 생산으로 바뀐 지형을 측량한다. 지금까지도 레이저를 탑재한 장비를 이용하여 지상에서 지형을 측량하는 것이 일반적인 측량방법이었으나, 최근에는 노천광산에서 자율비행체계가 탑재된 무인비행체인 드론을 이용한 정밀측량 기법이 도입되어 현장에서 활발한 작업이 진행중이다. Fig. 7은 드론을 이용하여 촬영된 사진을 중첩하여 구성한 광산의 3차원 지형 분석 결과의 사례이다.

Fig. 7.

3D photo image taken by drone (bas.vekom.com).

노천광산에서 3차원 지형측량에 드론을 이용한다면, 지하광산에서는 갱도와 채굴적 측량에 Cavity Monitoring System(CMS)이 사용된다. 지하광산에서는 지하갱도와 채굴적의 안정성 검토와 채광손실(mining loss)의 분석, 채광계획 수립을 위해 3차원 공간에서의 갱도형상과 배치에 대한 정보가 매우 중요하다. 지금까지는 이러한 정보를 주로 레이저를 이용한 갱도 측량으로 확보하였으나 시간이 많이 소요되고 채굴적의 3차원 정보를 정확히 얻는 것이 어려웠다. 따라서 앞으로는 Fig. 8에서 볼 수 있는 것과 같은 CMS 장비를 이용하여 갱도와 채굴적에 대한 정보를 3차원으로 직접 확보하는 것이 대세로 자리잡을 것으로 기대된다.

Fig. 8.

A case of 3D tunnel survey using CMS (www.sudbury-miningsolutions.com).

생산 - 강철장비와 ICT의 결합

기존의 강철장비는 사람이 탑승하여 조작하는 것이 기본 운영방식이었다. 그러나 이러한 방식은 중단채광법(sublevel stoping)으로 만들어진 대규모 채광장, 암질이 불량한 터널, 급경사의 높은 벤치 부근 등 위험한 작업환경에 작업자를 노출시키는 문제가 있었다. 또한 점차 생산 심도가 깊어짐에 따라 작업인력의 교대시간이 길어지고 추가적인 작업시간 손실은 불가피하게 되었다. 따라서 생산성과 안전을 동시에 강조하는 현대 광산은 장비제조사가 기존의 강철장비에 ICT를 결합하여 위험한 환경에서 작업자를 없애고, 지상의 안락한 곳에서 1명의 작업자가 여러 대의 장비를 동시에 운영할 수 있는 체계를 개발하도록 요구하였다.

① Atlas Copco AB(Atlas Copco)

Atlas Copco는 1998년 천공장비에 ‘computerised Rig Control System(RCS)’을 도입함으로써 생산장비에 ICT를 결합하기 시작했다. 이 시스템은 현재 5세대까지 발전했으며, Atlas Copco의 자동천공장비를 운용하기 위한 기본 플랫폼이 되었다. 이 회사의 BenchREMOTE^TM 시스템은 Fig. 9에서 볼 수 있는 바와 같이 노천에서 천공장비를 원격제어하기 위한 것으로 컴퓨터 제어 시스템이 장착된 노천 천공장비(Pit Viper, smartROC drill 등)를 최대 3대까지 원격조정할 수 있다. 원격조정 시스템은 장비를 운영하는데 필요한 인력수요를 줄이고, 위험한 벤치면에 인접하여 천공하는 것도 가능하게 함으로써 비용절감과 작업장에서의 안전성을 높일 수 있다. 노천 천공 장비에 대해서는 GPS를 기반을 정확한 천공좌표를 찾아가는 hole navigation system(HNS), 천공상태를 모니터링하는 EDGE, 천공 중 품위를 자동측정하는 OREalyzer 등 다양한 ICT 제품군을 제공한다.

Fig. 9.

Remote controlled drill rig by Atlas Copco (www.atla-scopco.com).

지하광산에서는 노천광산 보다 다양한 자동화시스템을 천공장비와 LHD에 구축하고 있다. 지하광산의 자동화 시스템은 단계별로 가장 낮은 단계인 radio-remote control(RRC)로부터 video remote control(VRC), tele-remote control, multi machine control로 구분된다. RRC는 대형 채광장 같은 위험지역에서 발파된 광석을 반출하고자 할 때 채광장 밖에서 무선리모트 조종시스템을 이용하여 LHD를 무인 원격제어하는 체계이다. VRC는 채광장에서 떨어진 별도의 안전시설(shelter)에서 비디오화면으로 LHD를 제어하는 체계이며, tele-remote control은 채광장에서 멀리 떨어진 광산 사무실이나 심지어 다른 도시에서 지하광산 내 설치된 통신체계(WLAN)를 이용하여 LHD와 장공천공기 등을 운용하는 체계이다. Fig. 10은 Atlas Copco의 LHD 원격제어 체계의 개념도이다. Multi-machine control은 여러 대의 장공천공기를 동시에 운용함으로써 생산비용 절감과 작업의 안정성을 향상시키기 위한 체계이다. 이밖에도 장비별 생산실적과 운용상태를 모니터링할 수 있는 체계를 구축하고 있으며, 모니터링된 결과를 활용하여 생산실적(가동시간, 작업시간, 다운타임)을 비교, 분석하고 장비의 유지보수와 관련한 정보를 사전에 제공할 수 있다.

Fig. 10.

Schematic of the communication network for remote control of LHD (Lundhede, 2014).

② Caterpillar Inc.(Caterpillar)

오늘날 광산은 도시로부터 멀리 떨어진 오지에 위치하고, 과거보다 훨씬 위험한 지역에서 채광작업이 이루어진다. 이로 인해 생산의 중심체계인 장비운영에 어려움을 겪으며, 숙련된 기술자 부족에 직면하게 되었다. 특히 숙련된 기술자의 부족은 사람으로 인해 발생하는 끊임없는 사고의 원인이 되고 있다. Caterpillar는 광산이 직면한 이러한 문제의 유일한 해답이 ‘machine automation' 이라는 입장이다. Caterpillar의 MineStar^TM는 노천채광의 자동화를 통해 생산성을 향상하기 위해 만들어진 종합 솔루션으로 FLEET, TERRAIN, DETECT, HEALTH, COMMAND 모듈로 구성되어 있다. Fig. 11은 MineStar^TM로 구축된 광산 통제실의 사례이다.

Fig. 11.

Mine control center constructed by MineStar^TM (viewpoint mining.com).

FLEET는 광산 내 장비의 움직임을 추적하고 장비의 생산성을 실시간으로 모니터링함으로써 광산운영 전체에 대한 종합적인 상황을 보여주고 장비운영을 최적화하기 위한 일종의 장비관리시스템(fleet management system)이다. TERRAIN은 여러 형태의 가이드 기능을 이용하여 장비 운전자가 천공, 적재, 도징 작업을 정밀하게 수행할 수 있도록 돕는 시스템이다. DETECT는 레이다와 카메라, GPS 도구 등을 이용하여 인접한 곳에서 작업 중인 장비와 인원을 자동 인식함으로써 충돌 등의 사고로부터 안전한 작업이 가능하도록 하는 시스템이다. 또한 이 시스템은 운전석의 운전자 상태를 모니터링하여 중앙통제실로 자동 보고하고 중앙통제실에서는 운전자의 상태를 분석하여 스케쥴을 변경하거나 대안을 제시함으로써 운전자의 피로나 졸음으로 인한 사고를 미연에 방지할 수 있도록 한다. HEALTH는 장비의 상태를 실시간으로 모니터링함으로써 고장으로 인한 시간 손실을 최소화하기 위한 시스템이다. COMMAND는 반자동 장비나 무인 운전 장비를 원격제어하기 위한 시스템이다. MineStar^TM는 이러한 모듈을 광산이 보유한 장비 브랜드에 관계 없이 광산의 규모와 특성에 적합하도록 조합하여 구축하는 것이 가능하다.

③ Sandvik AB(Sandvik)

Sandvik은 2004년 광산의 자동화를 위한 AutoMine을 개발했다. Sandvik의 AutoMine은 노천과 지하광산에서 적용할 수 있는 다양한 모듈로 개발되었다. 이 시스템은 개별장비로부터 광산의 전체 장비에 걸쳐 자동화가 가능한 시스템으로 여러 대의 로더와 천공기, 수십 대의 트럭을 무인화하고, 지상의 통제실에서 전체 장비의 운영상태를 모니터링할 수 있는 기능을 제공한다. 원격제어가 가능하기 위해서는 장비의 위치와 관계없이 통제실과 장비가 항상 무선통신이 가능해야 하므로 이러한 원격제어 시스템은 부가적으로 통제실의 관리자와 장비 운전자 간의 직접 통신기능을 제공한다. Fig. 12는 Sandvik의 생산관리시스템(production management system)을 갖춘 광산 통제실의 사례이다.

Fig. 12.

Production management system of Sandvik (mining.sandvik.com).

Sandvik의 AutoMine은 장비에 대한 자동화와 장비 운영과 관련한 정보관리체계로 구분된다. 먼저, 장비의 자동화에 대한 제품군은 다음과 같다.

∘ AutoMine Hauling - 지하 운반트럭의 원격 제어 및 자동 운전 시스템으로 관리자는 통제실에서 여러 대의 무인트럭을 운영하는 것이 가능하며, 다양한 종류의 트럭 운반 최적화 시스템과 결합 가능하다.

∘ AutoMine Loading - 여러 대의 LHD에 대한 자동 및 원격제어 시스템이다.

∘ AutoMine Loading Lite - 개별 LHD의 자동 및 원격제어 시스템이다.

∘ AutoMine Surface Drilling - 3차원 GPS 좌표 및 내비게이션에 의한 천공기의 원격제어 시스템이다. Fig. 13은 이 시스템의 운영 사례이다.

Fig. 13.

AutoMine surface drilling (www.miningandconstruction.sandvik.com).

AutoMine Production Management는 장비 운영과 관련한 관리체계로서 지하에서 장비의 작업지연과 문제의 원인에 대해 빠른 정보를 제공하고 해결을 위한 정보를 제공하는 쌍방향 정보교환 체계이다.

④ Komatsu Ltd.(Komatsu)

Komatsu는 노천에서 자동운반시스템(AHS: Autonomous Haulage System)을 처음으로 상업화하였다. AHS를 장착한 무인 덤프트럭은 운전제어 시스템, 고정밀 GPS 시스템, 장애물 탐지 시스템, 무선네트워크 시스템을 장착하고 호주의 Rio Tinto 광산에서 성공적으로 운영 중에 있다. Fig. 14는 Rio Tinto 광산에서 운영 중인 Komatsu 무인트럭이다. AHS를 장착한 무인트럭은 운전원의 수요를 줄이고, 광산에서의 안전성 향상과 최적운전에 의한 타이어 및 유류 소모량 감소 등으로 인한 비용 절감 효과와 생산성 향상에 기여한다.

Fig. 14.

Komatsu’s automated dump trucks operated in a Rio Tinto mine (www.komatsu.com.au).

이밖에 Komatsu는 Modular Mining System, Inc와 연계하여 노천과 지하광산에서 장비운영을 최적화하기 위한 DISPATCH와 DISPATCH Underground를 제공하고 있으며, 장비의 상태를 점검하고 가동률을 최대화하기 위한 클라우드 기반의 MineCare, 굴착장비의 작업계획에 대한 가이드를 제공하고 굴착량과 장비의 움직임을 고정밀 GPS 시스템으로 모니터링하여 계속 변하는 광체의 경계를 실시간으로 광산설계(mine planning) 프로그램에 제공함으로써 굴착장비의 가동을 최적화하고, 최적의 grade control과 생산계획 수립이 가능하도록 하는 Fig. 15의 ProVision 체계를 제공한다.

Fig. 15.

ProVision of Komatsu (www.modularmining.com).

⑤ Autonomous Solutions Inc.(ASI)

ASI는 장비 제조사는 아니지만, 장비 제조사의 브랜드와 관계없이 기존 장비를 원격제어할 수 있는 도구를 제공한다. Fig. 16은 ASI가 제공하는 자동제어 구조의 체계도이다. ASI는 자동화의 단계 중 가장 낮은 단계인 remote control으로부터 tele-operation, full automation까지 전 영역에 걸쳐 솔루션을 제공한다. ASI의 원격조정 시스템은 2013년 4월 대규모 사면 붕괴가 발생했던 Bingham Canyon Mine의 붕괴 사면 복구 시 Caterpillar의 엑스커베이터와 도저에 장착되어 성공적으로 복구가 완료되는 데 일조함으로써 원격조정이 위험한 지역에서 안전을 담보할 수 있는 대안임을 입증하였다. Fig. 17은 Bingham Canyon Mine 복구에 투입된 원격제어 엑스커베이터이다. 다시 말하면, 원격조정 시스템을 이용하여 이전보다 급한 경사의 사면을 안전하게 유지할 수 있으며 이로 인한 비용절감도 가능함을 보여주었다는 것이다.

Fig. 16.

Auto control system provided by ASI (www.asirobots.com).

Fig. 17.

Remote controlled excavator dispatched for rehabili-tation of Bingham Canyon Mine (www.asirobots.com).

ASI가 제공하는 제품으로는 fleet management system, autonomous drilling & blasting system, tele-operation system, autonomous haulage, obstacle detection and avoidance system이 있다. ASI는 광산기업인 Anglo American이 계획하는 광산 자동화 및 통합제어 시스템(FutureSmart^TM) 사업의 협력사로 지정되어 Anglo American이 보유한 광산의 자동화 사업을 진행 중이다.

⑥ 기타

이밖에 장비관리시스템(fleet management system)을 제공하는 기업으로 Wenco International Mining Systems Ltd. 등 여러 기업이 있으며, 대부분 비슷한 형태의 장비운영시스템, 천공가이드 시스템, 장비유지관리시스템 등을 제공한다.

생산관리 – Reconciliation

광산에서 reconciliation은 ‘comparisons of estimate(mineral resource model, mineral(ore) reserve model, grade control information) and measurement(survey information, official production)’라는 의미와 같으며, 계획 대비 실제 결과와의 차이를 확인하고 분석하며 관리하는 과정으로 이루어진다. 이러한 과정은 국내 광산에서도 어느 정도 수준에서는 통상적으로 수행하고 있는 것이기는 하지만, 안타깝게도 이에 해당하는 우리말 용어는 없다. 역사적으로 reconciliation은 광산운영이 압박을 받거나 생산이 기대치를 만족하지 못하는 경우에 필요에 따라 수행되었으나, 최근에는 광산의 운영성과를 측정하고 광산의 가치를 증명하며, 최적화된 광산운영을 위한 수단으로써 수시로 수행되는 작업으로 여겨진다(Richard and Sulemana, 2015).

광산 내의 생산활동은 매장량평가(resoure estimation), 광산설계(mine design), 채광계획(mine planning), 품위 관리(grade control), 채광(mining), 운반(material transfer), 선광(mineral processing), 판매(sales)의 과정을 이루고 있다. Reconciliation을 위한 비교는 이러한 생산활동의 공정을 따라서 정기적으로 광산 실적을 측정하고 평가하는 과정으로 이루어진다. 광산 내 생산공정은 Fig. 18에서와 같이 역피라미드 형태를 갖는데, 역피라미드의 위로 올라갈수록, 또는 생산공정의 하류에 있을수록 정보의 양이 증가한다. 생산공정의 각 단계는 하단으로부터 얻어진 정보에 기초하여 만들어지며, reconciliation은 각 단의 정보를 비교하는 것이라 할 수 있다. 그런데 reconciliation 과정에서 가장 중요한 것 중 하나는 비교의 대상이 같아야 한다는 것이다.

Fig. 18.

The reconciliation pyramid (after Richard and Sulemana, 2015).

궁극적으로 reconciliation의 최종 목적은 최적화된 광산운영이라고 할 수 있으나, Morley(2003)는 기본적인 reconciliation의 목적으로 다음과 같은 4가지 항목을 제시하였다.

∘ 목표 대비 운영 실적의 측정

∘ 품위와 광석량의 평가 정확도 확정

∘ 광산의 자산으로서 매장량과 가채매장량의 가치 확정

∘ 광산운영과 관련한 평가지표(key performance indicators) 제공

광산운영이 지속적으로 모니터링된다면, reconciliation은 품위/광석량의 추정과 샘플링에서의 문제점, 채광 및 선광의 문제점, 그리고 기타 기술적인 문제들의 원인을 밝혀낼 수 있게 된다. 문제의 원인이 밝혀진다면 공정의 분석과 개선과정을 거쳐 문제를 해결할 수 있을 것이며, 이러한 과정을 연속적인 사이클로 수행함으로써 광산운영은 최적화 될 수 있다.

Reconciliation을 위한 자료는 3차원 매장량 및 가채매장량 모델, 채광계획, 트럭 운행 횟수, 선광 결과, 생산설비 운영실적 등 다양한 분야로부터 수집된다. 과거에는 독립된 부서나 개별 공정별로 수집된 방대한 양의 자료를 Excel^TM 시트나 Access^TM 데이터베이스에 정리하고, 이를 분석하여 reconciliation을 수행하였다. 또한 과거에는 reconciliation도 불규칙적으로 필요에 따라 이루어졌으며, 필요한 항목만 골라서 분석하는 방식이었다. 그러나 최근에는 광산에서 이루어지는 모든 활동을 독립된 공정으로 파악하는 대신, 길게 연결된 하나의 연속 공정으로 보고 ICT 솔루션을 이용한 자동화된 reconciliation 자료 수집과 분석 체계로 바뀌는 추세이다. 따라서 광산에서 reconciliation과 관련된 부서는 생산 공정 전체에 걸쳐 있다고 볼 수 있다. 생산 공정과 관련한 reconciliation에는 예측과 결과를 비교하는 대상에 따라 지질모델간의 reconciliation, 지질모델과 실적과의 reconciliation, 채광 실적에 대한 reconciliation, 선광 실적에 대한 reconciliation, 철도 및 선적에 대한 reconciliation 등 다양한 비교 대상을 정의할 수 있다. Fig. 19는 Rio Tinto가 적용하고 있는 reconciliation 대상을 보여준다. Fig. 19를 보면, 세계적인 광산회사도 광산운영의 최적화를 위해 얼마나 많은 노력을 지속하고 있는지 알 수 있다.

Fig. 19.

Reconciliation factors of Rio Tinto (after Fouet et al., 2009).

앞에서 언급한 바와 같이 reconciliation을 위해서는 탐사에서 선적에 이르는 광산의 전체 생산공정에서 reconciliation에 필요한 정보를 수집하는 것이 필수적이다. 최근에는 이러한 정보를 ICT 도구를 이용하여 자동 수집하는데, 가장 대표적인 것이 InSite^TM 이다. InSite^TM 는 광산 내 mass flow를 추적하고, 생산을 관리하며, reconciliation에 필요한 정보를 수집/저장하고, 의사결정을 위한 보고서를 작성하는 기능을 제공한다. 여기에는 저광장(stockpile) 관리뿐만 아니라, 장비의 생산성을 모니터링하는 기능도 포함된다. Fig. 20은 InSite^TM를 이용한 생산실적 관리 사례이다.

Fig. 20.

A case of production management using InSite^TM

안전 - 지하광산의 위치추적과 통신 시스템

지하광산의 위치추적과 통신 시스템(CTS: Communication and Tracking System)은 과거에도 있었던 기술이지만, 2006년 미국에서 지하 석탄광산에서 위치추적과 통신시스템 구축을 법으로 의무화하고, 최근 진보한 ICT가 CTS에 도입되면서 비약적인 기술적 진보를 이룩했다. 지상의 노천광산에서는 GPS를 이용하여 장비와 사람의 움직임을 추적할 수 있지만, 지하에서는 GPS를 사용할 수 없으므로 적용기술의 특성에 따라 독특한 형태의 위치추적 기술이 개발되었다. 지하에서 사람과 장비의 위치를 추적하고, 이를 지상의 통제실로 전송하기 위해서는 통신네트워크가 필수적이다. 통신네트워크는 유선이나 무선으로 구축할 수 있는데, Fig. 21과 같은 구성을 갖는다. 위치추적 시스템은 어떤 통신네트워크를 사용하느냐에 따라 서로 다른 형태의 시스템을 장착할 수 있다.

Fig. 21.

Schematic diagram of underground communication and tracking system.

Leaky feeder를 이용한 통신시스템은 2014년까지 지하광산의 통신체계로 사용된 대표적인 방법이지만, 이후 ICT가 급속히 발전하면서 node-based 무선통신 시스템이 빠르게 leaky feeder를 대체하고 있다. 무선으로 통신네트워크를 구성하기 위해서는 ‘node’로 정의되는 무선 중계기(repeater)가 필수적이며, node와 node를 연결하기 위한 무선 주파수로 800 MHz, 900 MHz, 2.4 GHz 등의 주파수 대역이 사용된다. 일반적으로 해외 광산에서 무선통신용으로 사용되는 전파의 주파수는 800~900 MHz 대역으로 지하갱도 내에서 전파의 회절이 잘 이루어지고 도달거리가 700 m를 넘는 특징이 있다. 반면, 주파수 대역이 높은 2.4 GHz의 경우 WiFi를 이용한 통신 방식을 이용하게 되는데 회절이 어려운 전파의 특성 상 지하광산의 갱도 내에서 전파의 도달거리가 짧아 통신네트워크 구축을 위해 인프라 투자가 커지는 문제가 있다. 따라서 2.4 GHz 무선통신은 복잡한 구조의 지하광산에서 위치추적 시스템과 결합하기 위한 통신네트워크로 선호되지 않는다.

지하광산의 위치추적 기술은 Fig. 22와 같이 지상의 통제실과 게이트웨이(gateway)로 연결된 지하의 통신네트워크를 통해 지하광산 내 사람과 장비의 위치를 추적하여 지상의 통제실로 전달하는 기능을 수행한다. 이러한 기능은 갱도의 붕락이나 예기치 못한 사고시 작업자의 위치를 파악하고 구조방안이나 대피계획을 수립하기 위한 가장 기본적인 자료로 활용되며, 구조작업시 구조대의 위치를 인지하는데도 활용된다. 지하광산 내 위치추적을 위해 과거에는 RFID나 Inverse RFID를 주로 이용했으나, 최근에는 ICT의 발달로 node-based 무선통신이 대세가 되면서 node에 장착된 컴퓨터에 의해 수신된 전파강도를 측정하여 위치를 계산하는 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 시스템을 주로 사용한다. RSSI는 무선통신 node와 node 사이에 있는 무전기나 tag의 신호강도를 측정하여 위치를 계산한다. Fig. 23은 Innovative Wireless Technologies, Inc.(IWT)의 node-based 무선통신과 RSSI 위치추적 기술을 이용하여 지하광산 내 작업자의 위치를 추적한 결과를 보여준다.

Fig. 22.

IWT’s wireless node-based network system for underground tracking.

Fig. 23.

Underground tracking results by IWT's wireless node-based network system.

국내 광산의 ICT 도입 현황

국내 광산에서 ICT 도입은 한마디로 시작단계라고 할 수 있다. 현재 3개사가 광산전문 프로그램을 이용하여 광산을 운영하고 있으며, 5개 회사가 3차원으로 매장량을 평가하였거나 평가결과를 이용하여 생산계획을 검토하고 있다. 그런데 광산전문 프로그램을 사용하고 있는 회사 중 60% 이상이 현재 외국계 회사이거나 한 때 외국계 회사이었던 것을 보면, 국내와 해외에서 광산전문 프로그램을 대하는 인식에 차이가 있음을 알 수 있다. 광산에서 생산의 시작과 끝에 해당한다고 할 수 있는 측량은 그 작업의 중요성에도 불구하고 국내 대부분의 광산에서 일일측량이 아닌 특정 기간별 측량을 채택하고 있는데, 국내 일부 지하광산에서 CMS를 도입하여 3차원 갱도측량을 한 사례도 종종 확인된다. 지하광산의 위험한 채광장 내에서 안전한 작업을 위해 원격제어 시스템을 장착한 LHD가 도입되기는 하였으나 작업자들이 운전이 불편하다는 이유로 탑승식으로 전환하여 사용하는 사례가 있었지만, 최근 국내 3개 지하광산과 2개 노천광산이 위치추적 시스템을 도입한 것으로 보아 광산에서 안전에 관한 인식도 조금씩 바뀌고 있는 것으로 판단된다. 노천광산에서 덤프트럭의 운행상태를 모니터링하여 운반비를 분석할 수 있는 시스템은 현재 1개 광산에 도입되어 시험가동 중이다.

맺음말

최근 광산은 과거에 경험하지 못했던 복잡하고 다양한 문제에 직면하고 있다. 이러한 문제는 광산이 왜 과거보다 더 많은 정보를 필요로 하고, 수집한 정보를 얼마나 더 빨리 처리해야 하며, 처리된 정보를 광산운영을 위한 의사결정에 어떻게 활용해야 하는 지에 대한 답을 제시한다. 광산운영에서 과거보다 현재, 그리고 현재보다 미래에 더 많은 ICT를 도입해야 하는 이유는 다음의 7가지로 요약할 수 있다.

1. 비용 증가: 노무비와 재료비는 지속적으로 증가하는 추세이며, 특히, 광업분야에서 에너지와 물 부족에 따른 문제는 생산비 뿐만 아니라 관련 인프라 부문의 투자비를 증가시키는 요인이기도 하다.

2. 생산성 하락: 생산지역이 심부화됨에 따라 매장량의 회수율은 떨어지고, 생산효율은 감소하며, 작업의 위험성은 증가하고 있다.

3. 숙련된 기술자 부족: 광산의 위치가 도시에서 멀리 떨어진 고립된 지역으로 옮겨감에 따라 젊고 숙련된 근로자를 충원하는 것이 점점 더 어려워지지만, 반대로 광산이 요구하는 인력의 숙련도는 높아져 가는 추세다.

4. 환경 및 사회공헌: 최근의 광산운영은 사업 초기 정확한 환경영향 평가뿐만 아니라, 운영 중 투명한 환경관련 정보의 공개를 요구받고 있으며, 광산 주변의 이해관계자는 이윤의 공평한 분배, 최신 기술에 대한 교육, 높은 수준의 건강관리 및 교육을 요구하는 추세다.

5. 고품위 광석의 고갈: 저품위 광체에 대한 개발은 고품위 광체에서 보다 더 높은 기술적 도전을 요구하게 되며, 더 많은 특수 장비와 숙련된 노동자를 요구한다. 따라서 저품위광체일수록 초기의 부적절한 사업평가는 사업을 부실화시키는 주 원인이 되며, 높은 수준의 위험관리와 광산운영 체계가 필요하다.

6. 안전: 원격지나 심부에서의 작업은 그 만큼 안전의 사각지대에 놓이기 쉬워지므로 더 높은 수준의 안전관리 체계가 필요하다.

7. 경제적 불확실성: 광물가격은 국제 경제 동향에 민감하게 반응하지만, 국제 경제 동향을 예측하는 것이 점차 어려워지고 있다.

광산운영 중 발생하는 모든 문제를 ICT가 해결해 주지는 못하겠지만, 비용과 생산성 그리고 안전을 최우선하는 광산에서 ICT를 이용한 중앙제어와 무인화, 자동화는 이제 거스를 수 없는 대세가 된 것은 사실이다. 국내 광산도 이미 산간에 위치한 광산에서 근무하는 것을 꺼리고, 기존 광산인력의 노령화 가속과 숙련된 인력의 충원이 어려워지고 있는 현실적 문제에 마주하고 있으며, 지속적인 재료비와 에너지 비용, 인건비의 상승은 점차 심부화되는 광산의 생산비 감당에 어려움을 가져오고 있다. 이러한 상황은 단지 광산의 경영이 어려워진다는 것뿐만 아니라 국내에 얼마 남지 않은 광물을 생산하지 못하고 버리게 되는 국가 전체의 손실로도 이어질 수 있어서 매우 심각한 문제라고 할 수 있다. 따라서 국내 광산에서도 광산의 지속적인 경영뿐만 아니라 광산경영이 국가 경제에 미치는 영향을 고려하여, 생산성 향상과 안전한 생산을 위한 ICT의 도입이 시급하다고 판단된다.