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문제 정의
- 본 연구에서는 RMR과 Q 분류법을 활용하여 지하 채굴을 실시하는 석회석 광산 내 굴착된 대규격 갱도의 안정성 평가를 수행하였다. 조사 대상 광산의 운반 갱도와 채광갱도에서 암반분류를 실시하여 갱도의 안정성을 검토하였다.
제안 방법
- 조사 대상 광산의 운반 갱도와 채광갱도에서 암반분류를 실시하여 갱도의 안정성을 검토하였다. RMR을 이용하여 갱도의 자립 시간을 구한 후 실제 갱도가 유지된 기간과의 비교를 통해 RMR의 적용성을 평가하였다. 또한 Q 분류법을 이용하여 현재 개설된 갱도의 폭이 무지보 상태로 유지될 수 있는 지를 평가하였다.
- 갱내에서 획득한 석회암 블록에서 NX 코어를 채취하여 일축압축시험 및 삼축압축시험을 실시하였고, 그 시험 결과가 표 1에 나타나 있다. 점착력과 내부마찰각은 삼축압축시험을 통해 얻어진 값이다.
- 표 2에 제시된 갱도는 굴착 시부터 현재까지 소규모블록의 낙반이나 미끄럼짐을 제외하고는 대부분 안정한 상태를 유지하고 있기 때문에, 최대 무지보 갱도 폭을 결정하는데 RMR 분류법을 그대로 적용하기에는 문제점이 있다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 RMR 분류법 대신 Q 분류법을 이용하여 최대 무지보 갱도 폭을 결정하였다.
- RMR을 이용하여 갱도의 자립 시간을 구한 후 실제 갱도가 유지된 기간과의 비교를 통해 RMR의 적용성을 평가하였다. 또한 Q 분류법을 이용하여 현재 개설된 갱도의 폭이 무지보 상태로 유지될 수 있는 지를 평가하였다. RMR과 Q 분류법의 적용 결과를 분석한 후 조사 대상 광산의 개설된 갱도의 안정성을 평가하는데 적합한 것으로 평가된 Q 분류법을 이용하여 최대 무지보 폭을 계산할 수 있는 회귀식을 도출하였다.
- 본 연구에서는 대규격 갱도를 굴착하여 채광을 실시하고 있는 석회석 광산을 대상으로 RMR과 Q 분류법을 적용하여 갱도의 안정성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 법으로 계수를 평가한다는 장점이 있다. 본 연구에서는 확장 안정성 도해법을 사용하여 갱도의 전체적인 안정성을 평가하고 갱도의 한계높이를 결정하였다.
- 상기 회귀식을 결정하는데 있어 22곳의 조사지점 중에서 15개 지점만을 선정하여 상관관계식을 결정하였다. 제외된 7개의 지점 중 4개 지점(B5, Cl, C4, D3)은 최대 무지보 갱도 폭을 결정하기 위한 회귀식을 유도할 때 제외한 지점이다.
- 평가를 수행하였다. 조사 대상 광산의 운반 갱도와 채광갱도에서 암반분류를 실시하여 갱도의 안정성을 검토하였다. RMR을 이용하여 갱도의 자립 시간을 구한 후 실제 갱도가 유지된 기간과의 비교를 통해 RMR의 적용성을 평가하였다.
- 조사선조사법(scanline method)을 적용하여 RMR과 Q 값을 얻기 위한 지질공학적 조사를 실시하였다. 가행중인 운반갱도나 채광갱도의 규격은 보통 폭이 7~ 15 m, 높이가 5.
대상 데이터
- 광산 내 다양한 지점에서 공학적 암반분류법을 적용하기 위하여 운반갱도 1중단, 2중단, 흐H 단, 하2단의 좌우측 갱도 내 22곳의 조사지점을 선정하였다(그림 1 참조). 조사선조사법(scanline method)을 적용하여 RMR과 Q 값을 얻기 위한 지질공학적 조사를 실시하였다.
- 본 연구에서는 조사 대상 광산으로 충북 제천시에 위치하고 있는 00석회석광업소를 선정하였다. 이 광산은 노천채광에서 지하채광으로 전환한 광산으로써 생산량이 연 50만톤 정도이다.
- 광체의 폭은 30-80 m 정도이다. 채굴은 갱 입구에서 N30E 방향으로 360 m 지점에서 갑산층 내 중부 석회암(고품위광체)을 착맥하여 서측 날개부 광체의 주향 방향(N30W)을 따라 좌측갱이 개설되어 있고, 갱 입구에서 480 m 지점에서 동측 날개부 광체를 착맥하여 우측갱이 개설되어 있다. 주 가행대상 갱도는 410 갱으로 주 운반갱도를 중심으로 상부로 1중단, 2중단이 채광 중이고, 하부로는 하1단, 하2단, 하3단이 개설되어 있다.
데이터처리
- 3. Q 분류법과 확장 안정성 도해법을 이용한 갱도의 안정성 평가 결과를 토대로 하여 석회석 광산 내 대규격 갱도를 설계하는데 사용할 수 있도록 최대무지보 폭과 갱도의 한계높이를 평가할 수 있는 회귀 식을 도출하였다.
- 또한 Q 분류법을 이용하여 현재 개설된 갱도의 폭이 무지보 상태로 유지될 수 있는 지를 평가하였다. RMR과 Q 분류법의 적용 결과를 분석한 후 조사 대상 광산의 개설된 갱도의 안정성을 평가하는데 적합한 것으로 평가된 Q 분류법을 이용하여 최대 무지보 폭을 계산할 수 있는 회귀식을 도출하였다.
- 조사대상 광산의 대규격 갱도를 설계하는 경우 안정한 한계높이를 구하기 위한 관계식을 얻기 위하여 Q'값과 수리반경과의 상관관계를 분석하였다(그림 6 참조). 회귀분석을 통해 얻어진 상관관계식은 다음과 같다.
이론/모형
- RMR 이나 Q 값을 이용하여 안정한 채굴 갱도의 최대 높이를 평가하는 것은 어렵기 때문에 본 연구에서는 Mawdesley 등(2001)이 제안한 확장 안정성 도해법(extended Mathews stability graph method)을 활용하여 갱도의 전체적인 안정성을 평가하였^, 채굴 갱도의 한계높이를 결정할 수 있는 회귀식을 구하였다.
성능/효과
- (2)식을 이용하여 각 조사지점의 최대 무지보 폭을 계산한 결과 4개 지점을 제외하고는 예측된 최대 무지 보폭은 조사지점의 실제 갱도 폭보다 작은 것으로 나타나 조사 지점의 갱도는 대부분 안정성에 문제가 없을 것으로 생각된다. 또한 본 연구 대상 광산의 갱도 중 현재까지 사용되는 갱도들은 대부분 안정한 상태로 유지되고 있기 때문에 (2)식을 최대 무지보 갱도 폭을 설계하는데 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 1. 22곳의 조사지점을 선택하여 암반분류를 수행한 결과 RMR에 의한 갱도의 자립시간은 '즉시붕괴' 나 매우 짧은 것으로 나타났으나, Q 분류법에 의하면 지보가 필요없거나 국부적인 볼팅만으로 안정성이 유지되는 것으로 나타났다. 조사지점의 갱도가 조사시점까지 안정성에 심각한 문제가 없었다는 점을 고려하면 RMR보다는 Q분류법을 사용하여 갱도 폭에 대한 안정성을 평가하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.
- 2. 수정 Q분류법의 일종인 확장 안정성 도해법을 적용하여 조사지점 갱도들에 대한 안정성 평가를 수행한 결과 안정영역과 파괴영역의 경계에 있는 1 곳을 제외한 모든 갱도들이 안정한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 육안 관측 결과와도 일치하기 때문에 무지지 채굴법을 적용하여 채광을 하는 광산의 안정성 평가에 확장 안정성 도해법을 적용하는데 문제가 없을 것으로 생각된다.
- 갱도 유지 기간은 굴착한 이후부터 조사 시점까지의 경과 기간을 말한다. RMR 분류 결과 기본 RMRe 대체적으로 64 이하로 나타났고 최종 RMRe 40 ~55 인 것으로 조사되었다. 최종 RMR에 따른 자립시간을 살펴보면 거의 모든 갱도가, 즉시 붕괴, 나 자립시간이 짧은 것으로 나타났다.
- 상기의 결론에서 보는 바와 같이 확장 안정성 도해법은 무지지 채굴법을 적용하는 광산의 갱도 안정성을 평가하는데 효과적인 것으로 나타났다. 그러나 확장 안정성 도해법을 이용하여 갱도 안정성을 평가한 결과 1곳을 제외하고는 모두 안정한 것으로 나타났지만 실제 관찰 결과에 따르면 일부 갱도에서 소규모의 낙반이나 미끄러짐이 발생하였기 때문에 확장 안정성 도해법을 그대로 적용하기 보다는 국내 광산 개발조건에 맞게끔 수정을 하여 사용하는 것이 필요할 것으로 생각된다.
- 4로 나타났으며, 대부분의 지점에서 4이상인 것으로 조사되었다. 조사지점의 갱도 폭과 Q 값을 이용하여 지보범주를 추정한 결과 대부분의 조사지점에서 갱도가 무지보로 유지될 수 있는 영역에 속하는 것으로 나타났다.
- 22곳의 조사지점을 선택하여 암반분류를 수행한 결과 RMR에 의한 갱도의 자립시간은 '즉시붕괴' 나 매우 짧은 것으로 나타났으나, Q 분류법에 의하면 지보가 필요없거나 국부적인 볼팅만으로 안정성이 유지되는 것으로 나타났다. 조사지점의 갱도가 조사시점까지 안정성에 심각한 문제가 없었다는 점을 고려하면 RMR보다는 Q분류법을 사용하여 갱도 폭에 대한 안정성을 평가하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.
- RMR 분류 결과 기본 RMRe 대체적으로 64 이하로 나타났고 최종 RMRe 40 ~55 인 것으로 조사되었다. 최종 RMR에 따른 자립시간을 살펴보면 거의 모든 갱도가, 즉시 붕괴, 나 자립시간이 짧은 것으로 나타났다.
후속연구
- 효과적인 것으로 나타났다. 그러나 확장 안정성 도해법을 이용하여 갱도 안정성을 평가한 결과 1곳을 제외하고는 모두 안정한 것으로 나타났지만 실제 관찰 결과에 따르면 일부 갱도에서 소규모의 낙반이나 미끄러짐이 발생하였기 때문에 확장 안정성 도해법을 그대로 적용하기 보다는 국내 광산 개발조건에 맞게끔 수정을 하여 사용하는 것이 필요할 것으로 생각된다. 또한 안정수를 구성하는 계수들의 값을 결정하는 데도 주의할 필요가 있다.
- 특히 암반응력계수(A)를 결정하기 위해서는 갱도 벽면에 발생하는 최대주응력을 아는 것이 필요하지만 보통은 초기응력을 토대로 하여 최대주응력을 가정하기 때문에 계수 A에 대한 적절한 값을 얻기가 어렵다. 따라서 정확한 암반응력계수를 결정하기 위해서는 수치해석을 통해 갱도 벽면에 발생하는 최대주응력을 평가하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
- 생각된다. 또한 본 연구 대상 광산의 갱도 중 현재까지 사용되는 갱도들은 대부분 안정한 상태로 유지되고 있기 때문에 (2)식을 최대 무지보 갱도 폭을 설계하는데 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
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