서론
미소진동 계측기술의 특징
국제암반역학회의 미소진동 계측 표준시험법
계측시스템
센서
계측절차
현장계측자료의 파형특성
국제암반역학회의 파형사례
국내 유류비축기지와 터널에서의 계측 파형
국내 지하광산에서의 계측 파형
결론
서론
근래 국내 지하광산에서는 모멘트규모로 2.5에서 3.5에 이르는 대규모 파괴가 발생하였으며, 이로 인해 광산 종사자와 주변 주민들의 안전뿐 아니라 경제적인 피해 역시 발행하고 있다. 또한 상부에서의 지반침하의 발생과 이로 인해 야기된 여러 문제가 해결되어야 할 사회적 이슈로 부각되고 있다. 이와 함께 2017년 1월에는 기존의 ‘광산보안법’이 ‘광산안전법’으로 개정되면서 계측에 대한 중요성을 강조하고 있으며, 국제암반역학회에서는 미소진동 계측(micro-seimsic monitoring)과 미소파괴음 계측(acoustic emission monitoring)에 관해 각각 2015년과 2017년에 표준시험법을 제정하였다(Xiao et al., 2015; Ishida et al., 2017). 이에 본 논문에서는 최근 국내에서도 활발히 적용되고 있는 미소진동 계측기술에 대해 국제암반역학회에서 제안된 표준시험법의 소개와 국내 현장에서 계측된 미소진동 자료를 중심으로 미소진동 계측기술의 특징과 계측된 파형 특성 등에 대하여 기술하였다.
계측(monitoring)은 인간의 능력과 계측기기의 성능을 조합하여, 공학적 정보를 정확하게 수집하여 분석하는 행위(KSMI, 2006) 또는 어떤 대상에 대한 상태를 파악하기 위하여 그 목적에 맞는 기기를 고안, 제작하고 대상물에 적절히 설치하여 신뢰성 있는 측정치를 통해 주변 여건에 적합한 상태가 되도록 조절해 주는 등 그 대상을 효율적으로 관리가 가능하도록 하는 전체적인 과정이라 정의할 수 있다. 계측의 목적은 크게 설계확인, 시공관리, 품질관리, 안전관리, 법적보호 자료 제공, 구조물의 성능확인 등으로 나뉠 수 있다. 안전관리의 경우 계측을 통해 갑작스런 파괴나 붕괴에 대한 조기 파악을 통해 위험지점에 대한 안정성여부를 판단하여 필요에 따라 대피, 보강, 활용 금지 등의 조치를 취할 수 있다.
암반공학분야, 특히 노천채광에서 사용되는 계측방법에 대해 MINEX FORUM(2017)에 Brad가 제시한 비교에 따르면 Table 1과 같은 계측방법들의 장단점이 존재한다. 이 방법은 노천채광에서 활용되는 방식을 기준으로 하였기에 모든 암반구조물에의 적용과 분류에는 일부 맞지 않는 부분이 존재하지만 전체적으로 여러 계측방법에 대해 비교‧분석되어 있다. 이 Table에서는 다음과 같은 7개의 인자를 중심으로 비교하였다. 첫 번째는 측정방식(measure)으로서 계측시스템이 무엇을 측정하는 지, 즉 단순 관찰에서 지반의 움직임을 측정하는 지에 대한 것이며, 두 번째는 유형(type)으로 계측시스템의 측정범위에 관한 것이며, 세 번째는 기하형상(geometry)으로 지표면, 지하 등 설치 위치 등에 관한 것으로, Table 1에서는 surface란 명칭으로 표기되어 있다. 네 번째는 연속성(continuous)으로서 측정의 연속성 여부에 관한 것이며, 다섯 번째는 휴대성(portable)으로서 계측시스템의 휴대여부 또는 고정여부에 관한 것이며, 여섯 번째는 초기비용(initial cost)으로서 계측시스템 간의 상대적 비용의 비교에 관한 것이며, 마지막으로 경고여부(alarmed)로서 사용자의 작업장 대피에 필요한 경고가 가능한 계측시스템인지의 여부에 관한 것이다. Table 1에 따르면 미소진동 계측(microseismic monitoring)의 경우, 암반(underground)에 고정(fixed)상태로 설치되어 소음(sound)을 면적단위(area)로, 신호의 발생에 따라 간헐적(intermit-tently)으로 계측하고 갑자기 발생한 파괴는 예측할 수는 없지만, 여러 미소진동 센서를 사용하여 3차원 공간에서 발생한 위치를 감지할 수 있는 장점과 자료처리를 위한 과정이 때로 복잡할 수 있는 단점을 가지고 있다. 비용은 대략 수천만 원에서 수억 원이 필요한 것으로 분석되어 있다. 측할 수는 없는 시스템으로, 비용은 대략 수천만 원에서 수억 원의 비용이 요구되는 것으로 분석되어 있다. 장점으로는 여러 미소진동 센서를 사용하여 3차원 공간에서 발생한 위치를 감지할 수 있으나, 자료처리를 위한 과정이 때로 복잡할 수 있는 단점을 제시하고 있다.
Table 1. Comparison of geotechnical monitoring methods (MINEX FORUM, 2017)
미소진동 계측의 경우 호주의 MS-RAP에 따르면 위와 같이 갑작스럽게 발생한 파괴가 언제 발생할 수 있을지 예측할 수는 없지만 파괴에 대한 사전징후를 감지할 수 있는 것으로 제시하고 있으며, 광산현장에서 안전관리를 위해 폭넓게 사용되고 있으며 효율적인 위험도관리를 위한 방안을 함께 제시하고 있다(ACG, 2007).
미소진동 계측기술의 특징
미소진동은 채광, 굴착 등과 같은 인간의 활동에 기인하여 암반내부에 응력이 재분배될 때, 갑작스러운 미끄러짐이나 전단거동이 단층 또는 균열 등과 같이 이미 존재하고 있는 연약면을 따라 이동할 때 발생할 수 있다. 미소진동과 함께 사용되는 용어로 미소파괴음과 지진 등이 있는데, 지진은 자연적 원인으로 인해 지구의 표면이 흔들리는 현상으로 규정할 수 있는 반면, 미소진동과 미소파괴음은 자연적인 원인이 아닌 인간의 활동에 기인하는 것으로 구분할 수 있다. 또한 미소진동, 미소파괴음, 지진은 주요 주파수 대역이나 관심대상으로도 구분할 수 있다. 미소진동과 미소파괴음을 구분하는 기준으로는 일반적으로 주파수가 사용되며 10 kHz 또는 20 kHz가 이들을 구분하는 기준이 된다(Fig. 1과 Table 2) (PAC, 2004; Cai et al., 2007; Cheon et al., 2014).
Table 2. Frequency range of natural or artificial phenomena (PAC, 2004)
미소진동은 대규모 파괴에 앞서 발생량과 발생속도 등이 급격히 증가하는 경향을 보이기 때문에 암석이나 암반의 파괴에 대한 사전징후를 포착하는 데 활용될 수 있다. 본 계측기술은 단기적인 손상이나 파괴뿐 아니라 장기적인 손상이나 파괴에도 적용가능하며, 정적인 하중이외 동적인 하중이 작용할 때 역시 적용가능 한 것으로 보고되었다(Cheon et al., 2017). 미소진동 계측기술은 타 계측기술과 달리 지점계측이 아닌 체적계측으로 광범위한 계측영역을 갖으며, 계측범위는 사용되는 센서의 특성에 따라 수십 미터에서 수천 미터까지 다양한 영역에 대해 계측가능하다. 미소진동의 관심대상과 관련된 모멘트규모가 Table 3에 제시되어 있다. 지진과 달리 미소진동의 경우 작은 크기의 손상이나 파괴인 모멘트규모 -4에서 3까지를 주요 대상으로 하고 있다.
Table 3. Moment magnitude of microseismicity (Byun and Kim, 2016)
미소진동 계측이 측정, 계측, 진단 등의 일련의 특성을 갖는 점을 고려하여 인간의 질병 등과 비교할 수 있으며, Table 4는 이에 대해 비교하여 제시한 것이다. 가령 사람의 건강에 이상이 있는 경우 외부적으로 특징이 나타날 수 있으며 일례로 안색의 변화 등이 있을 수 있다. 이 경우 병원을 방문하여 여러 검사를 수행하고 상황에 따라 병원에 입원하여 장기적으로 관찰하거나 때에 따라 여러 처방을 받을 수 있다. 이에 상응하여 암석이나 암반의 경우 문제가 발생하면 외부적으로 변형이 발생할 수 있다. 이 경우에 현장 점검 등을 통해 계측여부를 판단하고 지속적인 계측을 수행하기도 하고, 때에 따라서 보강 등의 대책을 제시하기도 한다. 외부변화가 발생하거나 아프기 전에, 병원을 방문하여 주기적인 검진이나 검진 시 청진기 등과 같은 의료기구를 이용한다면 병의 발생 이전에 징후를 감지하여 사람을 보다 건강하고 오래 살 수 있도록 할 수 있다. 이에 상응하는 방법으로 미소진동 센서나 미소파괴음 센서 등과 같은 도구를 이용하여 암석이나 암반 구조물을 계측한다면 심각한 변화가 발생하기 이전에 사전징후를 감지하여 손상이나 파괴 등의 사고를 사전에 예방할 수 있을 것으로 판단된다.
Table 4. Monitoring and reaction comparison between human and rock/rock mass
이와 같은 미소진동 계측기술은 다양한 목적에 따라 각기 다른 계측시스템이 개발되어 활용되고 있다(Table 5). 한 예로 암반사면과 대규모 지하공동의 안정성 평가, 터널과 광산에서의 록버스트(rock burst)에 관한 작업자에 대한 경고, 셰일가스 개발이나 심부지열발전에서의 수리자극에 대한 매핑 등 각 목적에 맞는 계측시스템과 기술이 다양하게 적용된다. 따라서 이러한 상황에 따라 요구되거나 필요한 사항이 달라질 수 있다. 일례로 높은 신호취득 속도를 요구하는 경우, 또는 계측대상의 변화에 따른 유연한 시스템 운용이 필요한 경우, 발파로부터 센서와 시스템을 보호하면서 측정하는 경우 등 각기 상황이 다를 수 있다.
Table 5. Application cases of microseismic monitoring (Xiao et al., 2015)
국제암반역학회의 미소진동 계측 표준시험법
국제암반역학회인 ISRM(International Society for Rock Mechanics)은 암석역학, 암반역학 및 암반공학과 관련된 주요 특성 평가를 위해 표준시험법을 제정하고 있으며, 미소진동 계측과 관련하여 2015년 표준시험법을 제안하였다. 표준시험법의 명칭은 ‘ISRM Suggested Method for In Situ Microseismic Monitoring of the Fracturing Process in Rock Masses’이다(Xiao et al., 2015). 미소진동과 유사한 미소파괴음에 관한 표준시험법은 2017년 제정되었다(Ishida et al., 2017). 본 절에서는 국제암반역학회의 표준시험법 중 미소진동 계측시스템과 계측절차를 중심으로 개략적으로 정리하였다.
계측시스템
미소진동 계측시스템은 크게 네 가지로 구성된다. 1) 센서, 2) 자료획득장치, 3) 자료전송장치, 4) 자료처리 소프트웨어를 포함한 중앙 서버. 자료전송장치는 때로는 신호선이나 광케이블, 무선 등이 활용될 수 있다. Fig. 2는 일반적인 미소진동 계측시스템의 구성을 보여준다.
센서
미소진동 계측센서는 크게 지오폰과 가속도계로 나뉘며, 이는 다시 일축센서와 삼축센서로 구분된다. 사용되는 센서는 계측프로젝트의 규모, 계측대상, 계측목적, 계측영역, 암반 조건 등에 의해 결정된다. Table 5는 각각의 목적에 맞는 센서 사용의 사례를 제시한 것이다.
계측영역은 크게 ‘건설영역(construction region)’과 ‘막장면(working face)’으로 구분되는 데, 건설영역은 일반적으로 수백 미터에서 수 킬로미터에 해당하고, 이 경우 수 Hz에서 수백 Hz 센서가 사용된다. 반면, 막장면은 수백 미터 또는 이보다 좁은 영역으로 수백 Hz에서 수천 Hz 센서가 주로 사용된다. 일반적으로 주요 주파수영역이 500-1000 Hz이상의 경우 지오폰보다 가속도계를 사용하는 것이 계측에 유리한 것으로 알려져 있지만, 근래에는 두 종류의 센서를 혼합하여 사용하기도 한다. 센서를 사용하기 전에는 반드시 센서의 작동여부를 확인하는 작업이 선행되어야 한다. 센서의 선택에 있어 중요한 사항 중 하나는 계측목적에 부합된 센서형식과 주파수대역, 센서의 감도이며, 일반적인 지오폰의 경우 감도가 80 V/m/s 이상, 가속계의 경우 1 V/g이상이 되어야 한다. 암반공학적 측면에서 신호획득장치의 입력 채널수가 제한될 경우, 12개의 일축센서를 사용하는 것이 4개의 삼축센서를 사용하는 것보다 목적에 부합되는 것으로 알려져 있다.
신호획득장치
신호획득장치는 전치 증폭기, 아날로그-디지털 변환기(A/D 변환기), 임베디드 자료획득 컴퓨터(DAC)의 세 부분으로 나눌 수 있다. 자료획득에 있어서 주의할 사항은 낮은 샘플링 속도에 의해 원래 파형이 왜곡되는 주파수 앨리어싱(aliasing) 현상을 피하기 위해, 샘플링 속도는 암반 손상 또는 파괴 현상의 주요 주파수 범위에서 최대 5-10배가 되어야 한다.
자료전송장치
자료전송장치는 계측된 미소진동 자료의 저장 및 처리를 위해 중앙서버 컴퓨터에 미소진동 자료를 전송하고 각 자료획득장치에 대한 시간 동기화를 제공한다. 각 자료획득장치의 시간 동기화는 3차원 음원추적을 위해 중요한 기술로서, 사용하는 센서의 주파수대역과 기록시간 등에 따라 정밀도가 달라질 수 있다. 자료전송장치는 1) 센서에서 자료획득장치까지, 2) 자료획득장치에서 중앙서버까지, 3) 중앙서버에서 의사 결정 및 자료처리 부분까지로 크게 세 단계로 구분할 수 있다. 이들 단계에 대한 전형적인 자료전송체계는 Fig. 3과 같다. 그림에서 우측은 각 단계별 전송방식에 대한 하나의 사례를 제시한 것이다.
자료전송거리는 신호 감소가 계측자료에 영향을 미치는 최대 거리보다 작아야 하기 때문에, 자료획득장치는 설치된 센서에 근접해 있어야 한다. 일반적으로 자료획득장치와 센서사이의 거리는 300 m보다 작게 하는 것이 좋다. 신호선을 이용하는 경우, 20 AWG(American Wire Gauge)의 구리 도체와 차폐 알루미늄이 포함된 전선을 일반적으로 사용한다.
중앙서버 컴퓨터
중앙서버 컴퓨터는 자료획득장치의 미소진동 계측자료를 기록하는 데 필요하며, 이를 통해 미소진동 계측시스템의 세부적 사항을 설정하고 운영하는 데 사용된다. 효율적인 계측을 위해 중앙서버 컴퓨터는 이중 네트워크 카드를 이용하는 데, 하나는 인터넷을 통해 계측자료를 분석하여 저장장소로 업데이트하기 위한 것이고, 다른 하나는 계측시스템의 통신 인터페이스용이다.
중앙서버 컴퓨터에는 시스템 계측 소프트웨어를 사용하는 데, 이는 실시간으로 미소진동 계측시스템의 모든 장치 또는 구성 요소의 작동 상태를 표시하는 데 필요하다. 이는 사용자가 장치 또는 통신의 오작동 등의 비정상적인 활동을 제어하는 데 효과적이다. 미소진동 계측자료의 영상처리 소프트웨어는 미소진동 계측자료의 발생위치를 표시하고 분석한다. 이 소프트웨어는 암석의 손상이나 파괴에 대한 시공간적 발전과 메커니즘을 시각화하고 해석하기 위해 필요하다.
계측절차
사전조사
계측목적은 암반공학적 문제의 요구 사항과 미소진동 계측의 적용 가능성에 따라 결정되어야하며, 이와 관련된 모든 영역을 계측목적에 따라 평가할 수 있다. 사용 센서의 유형은 전술한 바와 같이 계측대상, 목적, 채널수에 따라 선택되어야 한다. 계측시스템에 사용되는 좌표계 역시 계측목적에 따라 다르게 설정되어야 하며, 3차원 지질모델을 포함할 수 있다.
센서의 배열 설계
암반공학을 위한 센서 배열의 일반적인 원칙은 다음과 같이 요약할 수 있다.
1)센서 배열은 Fig. 4(a)와 같이 가능한 한 음원위치의 정확성을 확보하기 위해 계측 대상을 감싸야 한다.
2)센서 간격은 센서 성능과 계측감도에 따라 달라진다. 계측영역 내 각각의 센서 위치는 요구되는 이벤트(음향방출을 야기하는 국부적인 물질의 변화현상) 위치의 정확도를 만족시킬 수 있도록 설치되어야 한다.
3)중요한 영역과 예측 가능한 불안정한 곳에는 센서 수를 늘리고 센서 간격을 줄여 센서의 밀도를 높여야 한다.
4)자료전송장치는 센서의 배열에 따라 달라지며 지속적이고 정확한 계측자료를 확보하기 위해 센서의 배열을 설계 할 때 편의성과 보안을 고려해야 한다. 또한 현장조사를 통해 센서 배열이 적합한 지 확인하여야 한다.
5)전체 계측과정에서 불리한 지질 조건과 불안정한 영역에서는 센서를 추가적으로 설치해야한다.
6)미소진동 신호가 아닌 소음 (예 : 발파, 전기잡음, 시추 및 건설 차량 등)의 영향을 최대한 줄여야한다.
7)전체적인 센서 네트워크에는 적합한 ‘자체 허용 오차’가 있어야 한다. 특정 지역의 센서가 작동하지 않으면 다른 지역의 센서가 해당 지역을 계측할 수 있어야 한다.
일반적으로 센서의 배열 설계에는 두 가지 방법이 있다. 하나는 C-최적화(C-optimality) 및 D-최적화와 같은 반경험적(semi-empiricial) 방법이며, 다른 하나는 DETMAX 알고리즘이나 유전자 알고리즘(GA)과 같은 지능형 최적화 알고리즘을 통해 센서 네트워크를 설계하는 것이다. 암반공학에 있어 적용 대상(예로서 터널, 사면, 대규모 공동, 광산 등)에 따라, 즉 계측대상이나 계측목적에 따라 센서 배열이 달라지며, 본 절에서는 광산에서 활용되는 센서 배열방법에 대하여 다음과 같이 간략히 소개하고자 한다.
대규모 광산지역에 대한 센서 배열은 전체지역의 계측 및 지역별 계측을 위해 사용될 수 있다. 대규모 광산지역을 계측하기 위해 미소진동 센서는 각 레벨의 갱도에 배열된다. 광산지역의 규모가 대개 수천 미터에 이르기 때문에, 센서 배열은 가능한 한 전체 광산 지역을 포함해야 한다. 또한, 많은 채굴적이 채광과정에서 만들어지며, 미소진동은 이러한 채굴적을 통과할 때 감도와 위치 정확성에 영향을 준다. 따라서 이벤트 위치의 정확도를 확보하기 위해서는 채굴적 주변의 벽면에 충분한 센서를 배치해야 한다. 또한 가정한 3-D 속도모델을 사용하여 이벤트 위치를 결정하는 데 사용한다. 지하채광의 경우에 있어 광체의 위치와 채광방법 등에 따라 국지적인 미소진동 계측방법은 달라지며, 일반적으로 대다수의 센서가 채광이전에 설치된 후, 채광이 진행됨에 따라 광체 주변으로 추가적인 센서를 설치하여 계측한다. 노천채광에서는 잠재적으로 불안전성이 의심되는 지역의 경사면에 센서를 설치하는 것이 일반적이다.
센서 설치
1) 천공
센서는 일반적으로 암반을 천공한 후 보어홀에 센서를 삽입하고, 시멘트나 기타 재료 등을 이용하여 그라우팅하여 사용한다. 이때, 시추공 직경이 너무 작으면 센서를 설치할 수 없게 되기 때문에, 시추공 직경은 일반적으로 설치 편의를 위해 센서 직경의 약 1.3-1.5배가 활용된다. 시추공의 길이는 적절한 자료수집과 획득된 자료의 품질을 보장하기 위해 굴착손상영역(EDZ, Excavation Damage Zone) 밖의 지역까지 연장하여 천공한다.
2) 보어홀 청소
천공한 구멍 내 자갈, 물 및 기타 잔여물을 청소해야 하며, 이때 블로어 장치가 수평 및 하향의 보어홀의 바닥에서 잔여물을 제거하는 데 필요하다.
3) 센서 배치
수평 및 하향경사 보어홀의 경우, 설치빔이 보어홀 바닥에 센서를 배치하는 데 사용된다. 이 후 설치빔을 회수하고 주입 및 배기 파이프를 보어홀에 배치한다. 상향 보어홀의 경우, 센서와 배기 파이프를 함께 보어홀에 삽입해야 한다.
4) 그라우팅
보어홀 내의 센서와 암석사이를 결합하기 위하여 그라우팅을 시행한다. 그라우팅은 밀봉 재료가 거의 경화 될 때까지 일정하고 느린 속도로 작동 될 수 있도록 해야 하며, 이때 사용되는 그라우팅 재료는 암석과 유사한 음향 임피던스(즉, 밀도와 전파속도)를 가져야 한다.
위와 같은 일련의 과정을 진행한 후 보정을 위한 타격 등이 수행되며, 이후 몇몇 계측에 필요한 변수를 설정한 후 계측이 이루어진다. 계측이후 자료의 처리와 분석 등은 다양한 방법이 제시되어 있으며, 일반적으로 계측된 미소진동 신호의 변수분석과 음원의 위치, 음원의 크기 등이 인위적인 활동과 결합하여 주요 분석대상이 된다.
현장계측자료의 파형특성
미소진동계측은 물리탐사분야에서 사용되는 탄성파탐사와 비교하여 수동적인 방식으로 암반 내에서의 발생된 균열이나 균열 성장 등과 같은 음원이 탄성파의 형태로 전달될 때, 이러한 탄성파를 계측하는 방법이다. 따라서 계측된 파형으로부터 발생된 음원을 여러 경험과 자료 축적을 통해 확인하는 것이 일반적이다. 특히 계측대상에서 채광이나 굴착과 같은 작업이 이루어지는 경우, 암반의 손상과 관련된 신호 이외에도 발파나 천공 작업 등과 같이 암반의 손상과 관련 없는 잡음이 지속적으로 발생할 수 있다. 따라서 이러한 미소진동 계측으로부터 암반구조물의 안전관리를 위해서는 이들 파형에 대한 구분이 반드시 필요하다. 본 절에서는 국제암반역학회에서 제시한 파형사례이외에 국내에서 저자에 의해 직접 제작된 시스템을 통해 계측된 파형을 제시하고 분석함으로써 향후 미소진동 기술을 이용한 암반구조물의 안전관리에 기본자료로 사용될 수 있을 것으로 기대한다. 제작된 시스템의 상세사양은 Cheon et al.(2014)에 제시되어있으며, 미세한 이벤트를 감지할 수 있도록 계측영역과 센서 사이의 거리는 최소 50 m 내지 100 m를 유지할 수 있도록 하였다.
국제암반역학회의 파형사례
국제암반역학회의 표준시험법에서는 Fig. 5와 같이 계측된 파형을 구분하고 있다. Fig. 5에서 제시된 바와 같이 암반 균열과 관련된 파형은 일반적으로 돌발형(burst)의 형태를 갖는 것으로 알려져 있다. Fig. 5(d)는 전기적 잡음으로 공급되는 전기 품질에 의해 좌우되는 것으로 알려져 있다. 드릴링의 경우 일정한 주기를 갖으며 작업 특성상 일정한 시간동안 지속성을 보이며, 발파의 경우 일반적으로 큰 진폭의 신호가 수 초 동안 지속되는 것이 일반적이다. Fig. 5(f)는 국내에서 계측된 신호와 비교할 때, 다소 특이한 발파 신호로 여겨진다. 이외에도 TBM이나 작업 차량 등에 의한 신호가 제시되어 있다.
국내 유류비축기지와 터널에서의 계측 파형
여수 지하유류비축기에서 스폴링과 슬래빙 등의 취성파괴가 발생하여 이들을 계측하고자 캐나다 ESG사의 미소진동 계측시스템이 2005년에 현장에 적용되었다(Hong et al., 2006). 미소진동 센서가 설치된 이후에도 지속적인 굴착작업이 이루어져 굴착작업과 관련한 여러 미소진동 파형을 Fig. 6과 같이 획득하였다. 사용된 센서는 캐나다 ESG사의 일축가속도계로서 감도가 30 V/g로 매우 민감한 가속도계이다. 발파의 경우 센서에서 감지된 최대진폭은 2 내지 4 V로 높은 진폭을 보였으며, 파쇄(breaking) 작업의 경우 약 150 ms의 간격을 갖는 주기적 파형을 보였다. 천공작업도 일정한 주기를 가지고 있으나 파쇄작업보다 짧은 약 25 ms의 주기를 보였으며, 스케일링 작업의 경우 장비스케일링의 경우 파쇄작업과 유사하였으나, 인력스케일링은 암반의 손상과 관련된 파형과 유사하였다. 이는 인력스케일링의 경우 필요 상황에 따라 작업이 이루어지기 때문에 돌발형 파형이면서도 주기성을 보이지 않아 암반 손상 파형과 유사한 면이 있는 것으로 추정된다. 암반손상과 관련된 파형은 돌발형으로서 작은 에너지의 손상은 대략 0.01 내지 0.05 V, 큰 에너지를 갖는 암반 손상은 1.5 V까지의 최대진폭을 기록하였다.
국내 터널 굴착 중 특정 지역에 대한 취성파괴의 발생여부를 파악하기 위해 미소진동 계측이 2013년에 수행되었다. 센서는 위에서 전술한 바와 같이 캐나다 ESG사의 일축가속도계가 사용되었다. 터널은 병렬터널로서 각 터널 입구와 출구에서 각각 굴착작업이 이루어지고 있었다. 적용된 미소진동 계측시스템은 한국지질자원연구원에서 자체개발한 시스템으로 장비 사양과 운영소프트웨어 등은 Cheon et al.(2014)에 자세히 언급되어 있다. 터널 현장에서 계측된 미소진동 파형은 Fig. 7과 같이 유류비축기지와 유사하였다. 발파로 인해 계측된 파형의 최대진폭은 1 내지 5 V의 값을 나타냈으며, 지연발파로 인해 일회 기록시간동안 여러 파형이 혼합되어 있는 형태를 나타내었다. 표면에 설치된 센서에는 발파풍압으로 인해 일회 기록시간동안 진폭이 지속적으로 높게 나타나고 있었다. 파쇄작업은 150 내지 200 ms의 간격으로 주기적으로 발생하였으며, 여수 유류비축기지에 비해 보다 명확하게 구분되었다. 천공작업의 경우에는 20 내지 25 ms의 간격을 갖으면서 주기적으로 발생하였다. 버력작업(mucking)의 경우 뚜렷한 특징은 없었지만 다른 파형에 비해 이질성을 가지고 있었으며, 트럭이동의 경우 높은 진폭의 잡음과 같은 형태로 발생하였다. 암반 손상과 관련된 파형은 단발성의 돌발형 형태로 나타났다.
국내 지하광산에서의 계측 파형
국내 지하광산은 앞서 전술한 유류지하저장소나 터널 등의 암반구조물에 비해 지하구조가 복잡할 뿐 아니라 여러 지역에서 발파가 수행되고 작업환경이 상대적으로 열악하여 미소진동 계측시스템의 유지관리가 용이하지 않은 특징이 있다. 특히 갱내통신의 부재로 인해 미소진동 계측시스템이 갱내에 설치되는 경우에 전기품질, 근접지역 발파로 인한 진동, 분진, 낙석 등의 위험요소가 상존한다. 또한 채광작업을 위해 고전력의 장비를 사용할 때 일시적으로 전기를 많이 소모하여 이로 인한 전기잡음이 발생하기도 한다. 이러한 전기적 문제를 줄이기 위해서는 DC 형식의 계측시스템을 사용하거나 계측시스템과 전원공급사이에 무정전원장치(UPS)와 자동전압조정기(AVR) 등을 사용하는 것이 추천된다. Fig. 8은 국내 지하광산에 설치된 미소진동 계측시스템에서 획득한 전기잡음을 나타낸 것이다. 일반적인 전기잡음은 주기적 특성을 보이며, knocking 현상의 전기 잡음은 스파크 형태의 파형을 보였다.
Fig. 9은 지하광산에서 채광 활동 및 분쇄 활동에서 계측된 미소진동 파형을 제시한 것이다. 일회 기록시간이 0.1 초로 설정한 경우, 발파의 파형은 Fig. 8의 상단과 같은 분포를 보이는 것을 알 수 있다. 파쇄작업은 다른 암반구조물에서와 같이 약 20 ms 간격의 주기적 특성을 보였다. 분쇄작업(crushing)의 경우 종종 큰 암괴를 분쇄할 때 다소 높은 진폭이 발생하는 것으로 보이며, 암반 내 설치된 센서에서 계측된 미소진동의 진폭은 실제로 귀로 듣는 소음에 비해 작은 것으로 나타났다. 분쇄작업장 주변에서의 야적작업(open-air clearance)으로 인해 발생한 파형은 버력작업과 같은 이질적인 파형을 보임을 알 수 있었다.
결론
본 논문에서는 근래 국내에서 사용이 증가하고 있는 미소진동 계측기술의 특징과 국내 현장에서 계측된 미소진동 파형의 특성에 대하여 분석하였다. 분석된 파형특성을 바탕으로 계측하고자 하는 신호인 암반손상관련 미소진동 파형과 잡음에 해당하는 전기잡음, 발파, 천공, 분쇄 작업 등에 대한 기본 파형자료를 제시함으로써 향후 암반구조물의 안전감시에 활용될 것으로 기대된다. 또한 국제암반역학회에서 제안한 미소진동 계측기술의 표준시험법에 대하여 소개함으로써 국제적인 기준에 맞는 안전관리를 수행할 수 있도록 하였다. 본문에서 다룬 내용을 간략히 요약하면 아래와 같다.
1.미소진동은 대규모 파괴에 앞서 발생량과 발생속도 등이 급격히 증가하는 경향을 보이기 때문에 암석이나 암반구조물의 파괴에 대한 사전징후를 포착하는 데 활용될 수 있다. 그러나 미소진동 계측으로 암반구조물이 언제 파괴되는 지를 예측할 수는 없다.
2.미소진동은 지진, 미소파괴음과 유사하나 주요 주파수대역과 관심대상이 다르다. 미소진동은 작은 규모의 손상이나 파괴인 모멘트규모 -4에서 3까지를 주요 대상으로 한다.
3.국제암반역학회에서는 미소진동 계측기술에 대해 2015년 표준시험법을 제안하였으며, 표준시험법에는 계측계측절차 등에 대해 설명하고 있다. 미소진동 계측 센서의 선택에 있어 중요한 사항 중 하나는 계측목적에 부합된 센서형식과 주파수 대역, 센서의 감도 등이다. 지오폰의 경우 감도가 80 V/m/s이상, 가속도계의 경우 1 V/g이상이 되어야 한다.
4.미소진동은 인위적인 활동과 관련하여 발생하는 탄성파로서 인위적 활동과 관련한 파형분석이 필요하다. 국내 유류비축기지와 터널에서의 계측된 파형의 분석결과, 발파에 의한 미소진동 파형은 수 초간 지속되며, 감지된 최대진폭은 2 내지 4 V로 높은 값을 갖는다. 파쇄작업과 천공작업은 각각 150-200 ms와 20-25 ms의 간격을 갖는 주기적 파형을 나타내었다. 암반 손상과 관련된 파형은 돌발형으로 작은 에너지의 손상은 대략 0.01 V 내지 0.05 V, 큰 에너지의 손상은 최대 1.5 V의 진폭을 갖는 형태를 보였다. 스케일링작업의 경우 장비스케일링은 파쇄작업과 유사하며, 인력스케일링은 암반 손상 파형과 유사하였다.
5.국내 지하광산은 여러 지역에서 지속적으로 발파를 포함한 채광작업이 수행되고 작업환경이 열악하여 미소진동 계측시스템을 유지하는 데 용이하지 않은 특징이 있다. 특히 갱내에 계측시스템이 설치되는 경우 전기품질, 근접지역 발파로 인한 진동영향, 분진, 낙석 등의 위험요소가 존재하였다. 광산에서 계측된 전기잡음에 의한 미소진동은 주기적 특성을 보이거나 스파이크 형태의 knocking현상이 나타나기도 하였다. 분쇄작업의 경우 귀로 들리는 소음보다 암반에 작용하는 진동의 크기는 미약하였으며, 종종 큰 암괴를 분쇄할 때 상대적으로 높은 진폭이 발생하는 경향을 보였다. 야적작업으로 인해 발생한 미소진동은 버력작업과 같이 이질적인 파형을 보였다.
