강원도에 위치한 D석탄광산에서 발생된 폐광석을 쌓아둔 적치장 사면의 지반공학적$\cdot$환경공학적 측면에서 안정성을 해석하고, 적합한 대 책을 수립하기 위하여 본 연구를 수행하였다. 적치장에서 하천으로 유입되는 침출수에 대한 수질검사를 통해 폐광석 적치장이 산성 광산배수(AMD)를 발생시키고 있음을 확인할 수 있었다. 폐광석 적치장의 사면안정 해석을 위하여 SLOPILE 프로그램을 이용하여 건기시, 평상시, 우기시 에 대하여 원호활동 해석을 실시하였다. 또한, 사면의 규모가 대규모인 점을 고려하여 사면 선단부분을 무한사면으로 가정한 평면파괴 해석도 실시하였다 원호활동해석에서 우기시 사면의 안전율이 0.78로 사면의 선단부에서 파괴가 발생하고, 평면파괴해석의 결과 우기시 활동깊이 4m 이하부터 사면의 안전율이 1이하로 파괴의 가능성을 잠재하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 비점오염 형태의 ADM 발생 저감과 사면 안정성 확보라는 측면에서 복합 대응이 가능한 뒷채움재로 폐콘크리트를 활용한 붕괴방치벽체(옹벽) 설치가 제안되었다.
강원도에 위치한 D석탄광산에서 발생된 폐광석을 쌓아둔 적치장 사면의 지반공학적$\cdot$환경공학적 측면에서 안정성을 해석하고, 적합한 대 책을 수립하기 위하여 본 연구를 수행하였다. 적치장에서 하천으로 유입되는 침출수에 대한 수질검사를 통해 폐광석 적치장이 산성 광산배수(AMD)를 발생시키고 있음을 확인할 수 있었다. 폐광석 적치장의 사면안정 해석을 위하여 SLOPILE 프로그램을 이용하여 건기시, 평상시, 우기시 에 대하여 원호활동 해석을 실시하였다. 또한, 사면의 규모가 대규모인 점을 고려하여 사면 선단부분을 무한사면으로 가정한 평면파괴 해석도 실시하였다 원호활동해석에서 우기시 사면의 안전율이 0.78로 사면의 선단부에서 파괴가 발생하고, 평면파괴해석의 결과 우기시 활동깊이 4m 이하부터 사면의 안전율이 1이하로 파괴의 가능성을 잠재하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 비점오염 형태의 ADM 발생 저감과 사면 안정성 확보라는 측면에서 복합 대응이 가능한 뒷채움재로 폐콘크리트를 활용한 붕괴방치벽체(옹벽) 설치가 제안되었다.
Stability investigations were conducted for the heap of coal associated wastes occurred from D mine located in Gang-Won Province from the geotechnical and environmental engineering aspect, and a countermeasure was also examined to increase the stability in this area. Quality of water flowed from the...
Stability investigations were conducted for the heap of coal associated wastes occurred from D mine located in Gang-Won Province from the geotechnical and environmental engineering aspect, and a countermeasure was also examined to increase the stability in this area. Quality of water flowed from the heap of coal associated wastes was identified as Am. Slope stability investigations were conducted with both circular failure analyses using SLOPILE program and planar failure analyses in cases of dry, rainy, and ordinary slopes. The results of circular failure analyses indicated that the factor of safety is 0.78 for rainy case. for planar failure analyses, the factor of safety decreases with increase the depth and reaches below 1 about 4m depth for rainy case. A retaining wall system with backfill using the recycled-concrete aggregates as a practical scheme was suggested to satisfy both demands: reducing Am generation, and enhancing slope stability in the deposits of coal associated wastes.
Stability investigations were conducted for the heap of coal associated wastes occurred from D mine located in Gang-Won Province from the geotechnical and environmental engineering aspect, and a countermeasure was also examined to increase the stability in this area. Quality of water flowed from the heap of coal associated wastes was identified as Am. Slope stability investigations were conducted with both circular failure analyses using SLOPILE program and planar failure analyses in cases of dry, rainy, and ordinary slopes. The results of circular failure analyses indicated that the factor of safety is 0.78 for rainy case. for planar failure analyses, the factor of safety decreases with increase the depth and reaches below 1 about 4m depth for rainy case. A retaining wall system with backfill using the recycled-concrete aggregates as a practical scheme was suggested to satisfy both demands: reducing Am generation, and enhancing slope stability in the deposits of coal associated wastes.
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문제 정의
본 연구는 폐광석적치장에 대해 지반 및 환경공학측면에서 안정성을 검토하고 그 결과를 분석하여 대책 방안을 검토하였다. 본 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 이러한 폐광석적치장에 대해 지반 및 환경공학 측면에서 안정성을 진단하여 안정성을 향상시킬 수 있는 대책을 수립하고자 한다. 이를 위하여 적치된 폐광석 사면의 상태 및 유실정도, 법면 배면의 파괴 발생여부 그리고 배수시설 상태, 수질조사 등 폐광석적치장의 전반적인 시설 현황을 조사하고, 사면붕괴현장을 조사하였다.
현재 상태의 광미 적치장이 어느 정도 안정성을 확보하고 있는지를 분석하기 위하여 사면안정해석을 실시하고자 한다. 본 연구에서는 SLOPILE 프로그램을 이용하여 한계평형해석법 가운데 Bishop 간편법에 의한 원호파괴 해석과 폐광붕적토층(Fig.
가설 설정
한다. 본 연구에서는 SLOPILE 프로그램을 이용하여 한계평형해석법 가운데 Bishop 간편법에 의한 원호파괴 해석과 폐광붕적토층(Fig. 3 참조)만을 무한사면으로 가정한 평면파괴 해석을 실시하였다(송영석, 2003; Lade, 1996).
제안 방법
실시되었다. Table 1에 나타낸 바와 같이 다짐몰드에 공기 건조상태의 시료를 투입한 후 소정의 다짐층수와 다짐횟수(0 ~ 72회)를 변화시키면서 단위중량을 측정하였다. 다짐에 너 지 를 0 ~ 5.
공시체의 초기 건조단위중량은 앞에서 제시한 Mt/nS로 제작하여 축변형율이 15%까지 실험을 실시하였다. 대부분의 응력값이 축변형율 15%에서 수렴하는 것으로 나타났다.
콘크리트 석축의 아래 부분의 크랙이 발생한 곳에서 하천수와 희석되기 전에 채수하여 현장에서 수온, pH, 전기전도도, ORP, TDS, DO 를 DO meter(810A, Orion), pH me- ter(290A, Orion), Conductive meter(125Az Orion)로 즉시 분석하였다. 그 후 보관에 유의하여 실험실에서 0.45pm filter로 필터링 후 ICP^CPS-IOOOIV, Shimidzu) 와 IC(DX-80, Dionex)를 이 용하여 양이 온(Fe, Al, Mn, Pb, Cu, Zn, Cd, As, Ca, Mg)과 음이온(SC广, F, CT, NQf)의 분석을 실시하였다.
사면안정에 미치는 강우와 지하수위의 영향은 지배적인데 대부분의 사면이 건기시보다는 우기시 에 파괴가 많이 발생하는 것을 봐도 알수 있을 것이다(홍원표 외, 1996). 그래서 본 연구에서는 3가지 경우(건기시, 평상시, 우기시)에 대해 수위를 고려하여 해석을 실시하였다. 건기시는 지하수위 위치가 폐광석층 아래에 위치하는 경우이고, 평상시는 폐광붕적토내 일부가 포화되고 폐광석 하단 부분에 지하수위 가 위치하는 경 우이다.
실시하였다. 대형 원주형 공시체(직경 300mm x높이 620mm)에 1.0, 2.0 및 3.0 kgf/cm2 등 세종류의 구속압 하에서 3mm/min(약 0.48%/min)의 속도로 압밀배수삼축시험(CD)을 실시하였다. 대형삼축시험의 경우 전단속도는 일반적으로 0.
높이는 192m이다. 모델의 크기는 경계면의 영향을 최소화시키기 위하여 경계면이 관심 지 역으로부터 충분히 떨어지도록 폭 570m, 높이 240m로 비교적 넓게 설정하였고 관심지역(폐광석)의 해석을 위해서 원지 반을 기 반암으로 선 택 하였다.
본 대상 사면의 경우 강우에 의한 지하수위상승에 의해 사면 파괴가 발생되는 점을 감안하여 사면 내로 강우의 유입을 줄이는 방법과 침투된 강우의 배수를 향상시 킬 수 있는 방법 이 제안되 었다. 또한, 김종범 외(2002)의 연구결과에 근거하여 광산 주변의 수질 개선을 위해 폐콘크리트를 활용하는 방안을 적극 고려하였다.
압밀배수삼축압축시험에 사용된 공시체의 초기 단위 중량을 결정하기 위해 다짐시험이 실시되었다. Table 1에 나타낸 바와 같이 다짐몰드에 공기 건조상태의 시료를 투입한 후 소정의 다짐층수와 다짐횟수(0 ~ 72회)를 변화시키면서 단위중량을 측정하였다.
원호파괴 해석 결과 폐광붕적토 부분이 가장 위험한 사면으로 판명되어 이 부분만을 무한사면으로 가정하고 강우시 침투압을 고려한 해석을 실시하였다 (Fig. 8). 폐 광붕적 토가 차지 하는 범 위 가 상당히 넓 기(Fig.
수 있는 대책을 수립하고자 한다. 이를 위하여 적치된 폐광석 사면의 상태 및 유실정도, 법면 배면의 파괴 발생여부 그리고 배수시설 상태, 수질조사 등 폐광석적치장의 전반적인 시설 현황을 조사하고, 사면붕괴현장을 조사하였다. 이를 토대로 수치해석 단면을 설정하고 건기시, 평상시, 우기시의 상태에 따른 폐광석 적치 사면에 대한 한계평형해석을 실시하였다.
이를 위하여 적치된 폐광석 사면의 상태 및 유실정도, 법면 배면의 파괴 발생여부 그리고 배수시설 상태, 수질조사 등 폐광석적치장의 전반적인 시설 현황을 조사하고, 사면붕괴현장을 조사하였다. 이를 토대로 수치해석 단면을 설정하고 건기시, 평상시, 우기시의 상태에 따른 폐광석 적치 사면에 대한 한계평형해석을 실시하였다. 본 연구 결과는 현재 전국에 걸쳐 무분별하게 적치되어 있는 많은 폐광석 및 폐광미 더미의 안정해석에 기초적인 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대되며, 또한 폐광석지대로 인해 기인하는 비점오염 형태의 오염원에 대한 수질정화와 연계한 종합적인 대책을 수립하는데 중요한 자료로도 활용될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이 준비된 시료를 이용하여 대형삼축시험을 실시하였다. 대형 원주형 공시체(직경 300mm x높이 620mm)에 1.
선정하여 수질조사를 실시하였다. 콘크리트 석축의 아래 부분의 크랙이 발생한 곳에서 하천수와 희석되기 전에 채수하여 현장에서 수온, pH, 전기전도도, ORP, TDS, DO 를 DO meter(810A, Orion), pH me- ter(290A, Orion), Conductive meter(125Az Orion)로 즉시 분석하였다. 그 후 보관에 유의하여 실험실에서 0.
대상 데이터
또한 이 값은 구호본이 제시한 값의 법위 안에 있기 때문에 적절하다고 판단된다. 기반암은 기존 연구 자료의 대표적인 값을 선택하여 사용하였다 (한국도로공사, 1998; Bowles, 1982). 한편, 광미는 하부로 내려갈수록 상부 자중에 의하여 압밀되어 지반 물성 치가 다를 수도 있으나 이를 무시하였다.
5 t/m2로, 내부마찰각( 은 23 ~ 28 ° 로 제시하였다. 본 연구에서는 폐광붕적토는 폐광석에서 발생된 것임을 고려하여 폐광석보다 작은 강도정수값인 c=1.0 t/m2, φ= 28°을 사용하였다. 왜냐하면 폐광붕적토가 모가 많이 나있고, 강우 등에 의해 사면표층부에서 세립분 함량이 적을 것으로 판단되었기 때문이다.
연구대상지역으로는 1930년대부터 지금까지 가행되고 있는 강원도 D광업소를 선택하였다. D광업소는 발생하는 폐광석을 갱구 옆에 위치한 적치장 상부로 운반하여 사면을 따라 단순적치하고 있으며, 하천을 따라 만들어진 석축을 경계로 500m정도 둘러싸져 있으며, 적 치 장의 상부는 아래 에서 약 200m로 조사되 었다.
폐광석 적 치 장으로 인한 환경 영 향을 파악하기 위해서 적치장에서 하천으로 AMD의 유입이 예상되는 지점을 선정하여 수질조사를 실시하였다. 콘크리트 석축의 아래 부분의 크랙이 발생한 곳에서 하천수와 희석되기 전에 채수하여 현장에서 수온, pH, 전기전도도, ORP, TDS, DO 를 DO meter(810A, Orion), pH me- ter(290A, Orion), Conductive meter(125Az Orion)로 즉시 분석하였다.
현재의 기술로 폐광석과 같이 큰 입자의 지반재료를 불교란 상태로 채취하는 것은 매우 어려워서 실험에 사용된 폐광석 시료는 현장을 대표할 수 있도록 폐광석적 치장에서 접근이 가능한 사면상부의 10곳을 선정하여 각각의 지점에서 표토층으로부터 10cm 아래의 시 료를 50kg정도를 채취하여 사용하였다. 이 때 시료의 크기는 수행할 대형삼축압축시험기 (직경 300mm)의 최 대 가능 사이즈를 고려 하여 50mm 미 만으로 체가름 하여 준비하였다.
이론/모형
0% 정도로 하고 있으며 전단시 과잉간극수압이 발생하지 않도록 하였다. 시험결과는 Mohr원으로 작도하여 수치해석에 필요한 전단강도정 수를 산정하였다.
성능/효과
(1) 원호활동 해석결과 건기시, 평상시, 우기시의 사면 안전율은 각각 1.15, 1.08, 0.78로 나타났으며 우기시 폐광붕적토층에서 약 11m 정 도의 활동깊이 로 파괴 가 발생 되었다.
(2) 무한사면 평면파괴 해석시 파괴깊이가 깊어짐에 따라 안전율이 감소되는데, 폐광석 물성 값을 사용한 경우 표층으로부터 10m 아래에서, 폐광붕적토 물성 값을 사용한 경 우는 4m 아래 서 안전율 1이하로 예측되 었다.
(3) 폐광석적 치장에서 하천으로 유입되는 유입 수의 수질조사결과, 전체 적 으로 폐 광석 적 치 장의 유출수가 하천수에 비해서 낮은 pH를 보이며, 오염도가 휠씬 높았다. 특히 pH(3.
5)를 토대로 식⑴을 사용하여 쌍곡선 근사에 의하여 산정한 이론적 건조단위중량 값이다. 다짐에너지가 증가할수록 건조단위중량 증가률이 감소하는 결과를 보이고 최대건조단위중량이 약 1.9t/m3 정도에 이르는 것을 알 수 있다. 위의 값을 참고로 현장 단위중량을 추정할 수 있는데, 본 현장에 적치되어 있는 광산폐기물이 인위 적으로 다져지지 않았고, 장기간 방치되 어 있으면서 자연적으로 압밀이 되었음을 고려하면 현장의 평균적 인 단위중량은 1.
대부분의 응력값이 축변형율 15%에서 수렴하는 것으로 나타났다. 삼축압축시험 결과는 Table 5와 같다.
아래 Table 9와 같이 나타내 었다. 석축 아래 균열 부분에서 측정한 수질데이터의 평균과 하류에서 희석된 하천수의 수질을 비교하면, 전체적으로 폐광석 적치장에서 유출수가 하천수에 비해서 산성이며 오염물 농도 역시 더 높았다. 특히 pH 3.
9t/m3 정도에 이르는 것을 알 수 있다. 위의 값을 참고로 현장 단위중량을 추정할 수 있는데, 본 현장에 적치되어 있는 광산폐기물이 인위 적으로 다져지지 않았고, 장기간 방치되 어 있으면서 자연적으로 압밀이 되었음을 고려하면 현장의 평균적 인 단위중량은 1.9t/m3 보다 작은 1.8t/n?로 함이 적절하다고 판단된다. 이 값은 중간정도의 밀도를 가지는 자갈의 단위중량으로, 잘 다져 진 자갈 및 자갈섞 인 모래 의 단위중량 ZOt/n?, 느슨한 경 우의 단위 중 1.
석축 아래 균열 부분에서 측정한 수질데이터의 평균과 하류에서 희석된 하천수의 수질을 비교하면, 전체적으로 폐광석 적치장에서 유출수가 하천수에 비해서 산성이며 오염물 농도 역시 더 높았다. 특히 pH 3.8, Al 229mg/L, SO: 4983mg/L 등의 AMD 특성 항목을 통해서 폐광석 적치장이 AMD를 발생시키고 있음을 확인할 수 있었다.
특히 pH(3.8)와 Al(229mg/L), SO}(4983mg/L) 등의 AMD 특성 항목을 통해 서 폐 광석 적 치 장이 AMD 를 발생시키고 있음을 확인할 수 있었다.
폐광석 적치 장에 대하여 SLOPILE을 이용한 사면안정해석 결과와 수질검사 결과를 바탕으로 사면의 안정성을 향상시키고 수질오염을 줄일 수 있는 대책을 마련하였다. 본 대상 사면의 경우 강우에 의한 지하수위상승에 의해 사면 파괴가 발생되는 점을 감안하여 사면 내로 강우의 유입을 줄이는 방법과 침투된 강우의 배수를 향상시 킬 수 있는 방법 이 제안되 었다.
폐광석이라는 재료의 특성과 사면의 규모 그리고 사면활동깊이가 깊은 점을 고려해 볼 때 기존의 사면안정공법인 네일, 앵커등의 보강재를 사용하기에는 경제적, 시공상의 애로점이 많기 때문에 현재의 안전율을 유지하는 공법을 선택하는 것이 적합하다고 판단되어 규모가 4 ~ 5m 정도의 높이를 갖는 옹벽과 같은 붕괴방지벽체 설치에 의한 안정화 공법이 가장 적절하다고 판단된다. 대상지역의 폐광석 적치장은 자연낙하로 인해 형성된 사면을 가지고 있어 건기시에 충분한 안전율을 확보하고 있는 것으로 판단되나 집중호우 등에 의한 지하수위 상승과 침투압에 의한 사면표층부의 파괴가 발생하여 폐광석이 하천의 석축위로 이 동하고 석 축의 일부가 붕괴 되는 상황이 다.
후속연구
그러므로 폐광석의 이동을 방지할 수는 옹벽의 설치가 지반공학측면에서 가장 적합한 안정확보 방안이라 할수 있다. 또한 환경적인 측면에서 적치장에서 발생되는 AMD를 중화시 키는 방안으로 옹벽 배 면 뒷채움재로 투수성이 좋은 폐콘크리트를 활용하면 수질개선에도 도움이 될 것으로도 판단된다.
이를 토대로 수치해석 단면을 설정하고 건기시, 평상시, 우기시의 상태에 따른 폐광석 적치 사면에 대한 한계평형해석을 실시하였다. 본 연구 결과는 현재 전국에 걸쳐 무분별하게 적치되어 있는 많은 폐광석 및 폐광미 더미의 안정해석에 기초적인 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대되며, 또한 폐광석지대로 인해 기인하는 비점오염 형태의 오염원에 대한 수질정화와 연계한 종합적인 대책을 수립하는데 중요한 자료로도 활용될 수 있을 것이다.
참고문헌 (18)
김명진, 안규홍, 정예진, 2001, 폐광산 광미에서의 비소 분리 및 중금속 특성에 관한 연구, 대한환경공학회지, 제23권, 10호, pp. 1711-1719
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