최근 환경문제 및 법적규제의 강화로 광산의 개발이 노천채광에서 갱내채광으로 전환됨에 따라 지하채굴 공동의 안정성이 광산의 운영 및 생산성 부분에서 최대 관심사로 대두되고 있다. 따라서 본 연구에서는 갱내채광 설계와 안정성 평가의 입력 자료로 활용하기 위해 지질조사, 불연속면 조사, 실내 암석실험, 암반분류를 수행하였으며, 암반분류 결과를 이용하여 무지보로 안정을 유지할 수 있는 채굴 공동과 광주의 규격을 결정하였다. 또한, 경험적 방법(stability graph, 한계 공동폭 곡선)과 3차원수치해석을 통하여 지하채굴 공동의 안정성을 평가하였다.
최근 환경문제 및 법적규제의 강화로 광산의 개발이 노천채광에서 갱내채광으로 전환됨에 따라 지하채굴 공동의 안정성이 광산의 운영 및 생산성 부분에서 최대 관심사로 대두되고 있다. 따라서 본 연구에서는 갱내채광 설계와 안정성 평가의 입력 자료로 활용하기 위해 지질조사, 불연속면 조사, 실내 암석실험, 암반분류를 수행하였으며, 암반분류 결과를 이용하여 무지보로 안정을 유지할 수 있는 채굴 공동과 광주의 규격을 결정하였다. 또한, 경험적 방법(stability graph, 한계 공동폭 곡선)과 3차원 수치해석을 통하여 지하채굴 공동의 안정성을 평가하였다.
Recently, the mining methods are changing from surface mining to underground mining because of the increment of the environmental issues and legal regulations. Therefore, the stability of underground openings is a major concern for the safety and productivity of mining operations. In this paper, a s...
Recently, the mining methods are changing from surface mining to underground mining because of the increment of the environmental issues and legal regulations. Therefore, the stability of underground openings is a major concern for the safety and productivity of mining operations. In this paper, a survey of structural geology and discontinuities were carried out at a limestone mine. The relevant mechanical properties of rocks were determined by the laboratory tests and rock mass classifications (RMR and Q-system) for the mine design and input data for the stability analysis. The dimensions of unsupported span for underground openings and pillar were decided based on the RMR values of rock mass classifications. The stability analysis for the suggested mine design was examined through the empirical methods (stability graph method and critical span curve) and 3-D numerical analysis (Visual-FEA).
Recently, the mining methods are changing from surface mining to underground mining because of the increment of the environmental issues and legal regulations. Therefore, the stability of underground openings is a major concern for the safety and productivity of mining operations. In this paper, a survey of structural geology and discontinuities were carried out at a limestone mine. The relevant mechanical properties of rocks were determined by the laboratory tests and rock mass classifications (RMR and Q-system) for the mine design and input data for the stability analysis. The dimensions of unsupported span for underground openings and pillar were decided based on the RMR values of rock mass classifications. The stability analysis for the suggested mine design was examined through the empirical methods (stability graph method and critical span curve) and 3-D numerical analysis (Visual-FEA).
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문제 정의
쓰레기 매립장 우측으로는 과거 노천채광지역에 폐석을 매립한 매립지가 존재하지만, 정확한 폐석의 매립량을 산출할 수가 없어서 폐석매립장의 체적을 개략적으로 계산하였고 체적팽창률을 감안하여 1만 톤의 폐석이 매립되어 있는 것으로 가정하였다. 따라서 쓰레기 매립장과 폐석매립지 하부 갱도에는 큰 사하중이 작용할 것으로 판단되어 이 지역 하부의 지하 채광장에대한 안정성을 평가하였다.
가설 설정
6에서 보는 바와 같이 현재 쓰레기 매립장이 위치하고 있고, 현재 약 4만 톤의 생활쓰레기가 매립되어 있다. 쓰레기 매립장 우측으로는 과거 노천채광지역에 폐석을 매립한 매립지가 존재하지만, 정확한 폐석의 매립량을 산출할 수가 없어서 폐석매립장의 체적을 개략적으로 계산하였고 체적팽창률을 감안하여 1만 톤의 폐석이 매립되어 있는 것으로 가정하였다. 따라서 쓰레기 매립장과 폐석매립지 하부 갱도에는 큰 사하중이 작용할 것으로 판단되어 이 지역 하부의 지하 채광장에대한 안정성을 평가하였다.
식⑴을 이용하여 계산하였다. 운반갱도는 자립 시간을 10년으로 가정하여 갱도의 폭을 8 mS, 채광 장은 자립시간을 1년으로 가정하여 갱도의 폭을 12 이로 하였으며, 운반갱도와 채광장의 높이는 6 이로 결정하였다. 또한 crown pillar의 두께는 갱도 높이의 2배인 12 m로 하였다
제안 방법
광주pillar)의 크기를 결정하였다. 그 결과를 바탕으로 stability graph method와 최대 무지보 공-둥-푹 곡선과 같은 경험적 방법에 의하여 채광장의 안정성을 평가한 후 3차원 유한요소해석프로그램인 Visual FEA 를 이용하여 지하채광장의 안정성 평가를 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 현재 노천채굴에서 갱내채굴로 전화하고 있는 전라남도 장성에 위치한 고려시멘트(주)의건동 남일, 옥정 맥정광산 일대를 대상으로 광체의 부존 특성에 적합한 채광방법을 선택한 후 선우춘 등(2005)이 제안한 암반분류법을 통한 갱도 규격을 바탕으로 무지보 상태로 안정성을 유지할 수 있는 갱도 및 채광 장의 규격과 광주pillar)의 크기를 결정하였다. 그 결과를 바탕으로 stability graph method와 최대 무지보 공-둥-푹 곡선과 같은 경험적 방법에 의하여 채광장의 안정성을 평가한 후 3차원 유한요소해석프로그램인 Visual FEA 를 이용하여 지하채광장의 안정성 평가를 수행하였다.
본 연구에서는 석회석 광산을 대상으로 암반 분류법을 이용하여 지하채광장의 규격을 결정하고 경험적 방법과 수치해석 방법을 이용하여 지하채광장의 안정성 평가를 수행하였으며, 이상의 결과를 종합하면 다음과 같다.
본 연구에서는 실제 채광단계와 유사한 시공단계를 모사하기 위하여 총 기단계의 해석단계로 나누어서 해석을 수행하였으며, 수치해석을 위한 모델링은 Fig. 7과 같다
물리 . 역학적 특성을 파악하기 위한 실내 암석실험은 매장량 조사를 위해 시추한 시추공 중에서 지하 채광을 계획하고 있는 구간 내에 포함되는 4개의 시추 코어에서 시료를 채취하여 단위중량, 흡수율, 탄성 파속도, 일축압축강도, 인장강도 탄성정수, 점착력, 내부마찰각 등을 측정하였으며, 그 결과는 Table 2와 같다
④ 해석결과
해석구간의 모델링을 실시한 후, 해석구간 내의 갱도 굴착에 따른 변위 및 응력의 변화를 살펴보았다.
대상 데이터
고려시멘트(주) 장성공장 인근의 지질은 Fig. 1과 Table 1 에서 보는 바와 같이 선캠브리아기의 화강암질 편마암과 시대미상의 용암산층, 설옥리층 및 후기에 관입한 중생대 백악기의 암맥류와 충적층으로 구성된다.
광상은 설옥리층 하부에 협재되는 석회암을 대상으로 하는 시멘트용 석회석 광상으로 북동남서방향으로 길게 대상(帶狀)으로 분포하며, 광체의 경사는 약 60~ 70ONW이다. 석회암대는 지역적으로 다소 차이는 있지만 대체적으로 부존규모는 폭 100 m 내외, 연장 4 km 내외이고, 석회암대 상부구간에는 20 m 내외의 백운암 대가 협재하는 것이 특징이다.
이론/모형
2를 갖는 것으로 조사되었다. 또한 광체가 70°의 고각을 이루고 있어 중단채굴법(sub-level stoping) 을 이용하여 채광하는 것으로 결정하였다(Fig. 3).
본 연구에서는 이러한 여러 경험식들 중에서 암반의변형계수(风)는 Serafim & Pereira(1983)가 제안한 식 (4)를, 점착려#과 내부마찰객S)은 Truemau(1988) 이 제안한 식(5)와 식(6)을 인장강도(花)는 Hoek & Brown (1980)이 제안한 식(7)을 이용하여 계산하였으며, 암반의 밀도와 포이송비는 실내 암석물성시험에서 구한 값을 그대로 적용하였다.
채광설계에 대한 전체적인 개발골격에 대해 간단히 설명하면, 우선 갱내채광에 의한 지표침하를 방지하기 위하여 지표로부터 35 m 이상 심도에서부터 지하 채광을 실시하는 것으로 결정하였으며, 광산갱도의 규격은선우춘 등(2005)이 국내 석회석광산의 현장조사를 통해 제안한 식⑴을 이용하여 계산하였다. 운반갱도는 자립 시간을 10년으로 가정하여 갱도의 폭을 8 mS, 채광 장은 자립시간을 1년으로 가정하여 갱도의 폭을 12 이로 하였으며, 운반갱도와 채광장의 높이는 6 이로 결정하였다.
성능/효과
7 m인 것으로 나타났다. 따라서 본 연구구간의 운반갱도와 채광장의 경우 별도 의지 보 없이 안정한 상태를 유지할 수 있으며, 중단채굴법에 의해 형성된 공동의 경우 안정성 확보를 위해 추가적인 지보를 설치해야 하는 것으로 나타났다.
변위검토결과 초기 갱도 굴진 단계에서는 2 mm 내외의 미세한 변위를 보이다가 중단채굴법에 의한 채굴 공동굴착 후 급격한 변위 증가를 보이는 경향을 보이며, 최대 발생변위는 13 mm 내외가 되는 것으로 예측되었다 (Fig. 8). 하지만 이는 중단채굴법에 의해 발생하는 공동의 크기(20 mx30 mxlOO m)에 비해 매우 작으므로변위에 대한 안정성은 확보될 것으로 판단된다.
본 연구에서는 Mathews 의 stability graph method보다 개선된 확장 Mathews stability graph method(Mawdesely et al, 2001) 를 적용하였으며, 이 확장 Mathews stability graph method를 이용하여 본 광산의 채광장, 운반 갱도중단채굴법에 의해 형성된 공동에 적용시켜 본 결과 Fig. 4에서 보는 바와 같이 운반갱도, 채광자 중단채굴법에 의해 형성된 공동 모두 별도의 지보 없이 안정한 상태를 유지할 수 있는 것으로 판단하였다.
본 연구의 대상 광산은 현재 노천매장량이 채진 되어 노천에서 갱내채광으로 전환이 이루어지고 있는 광산으로 현장조사를 통한 암반분류결과 RMR 값은 평균 62.5, Q값은 평균 17.2를 갖는 것으로 조사되었다. 또한 광체가 70°의 고각을 이루고 있어 중단채굴법(sub-level stoping) 을 이용하여 채광하는 것으로 결정하였다(Fig.
수치해석에 의한 안정성 평가 결과, 쓰레기 매립장 하부 채광장은 4.5 MPa의 응력장이 작용하는 지반이 굴착 된 후 대부분의 응력이 이완되고 13 mm 내외의 변위가 발생하는 것으로 예측 되었으며 발생한 변 위는 굴착 규모에 비해 매우 작은 값으로 무지보를 바탕으로 해석한 결과임을 감안할 때 안정성에 크게 문제가 없을 것으로 판단된다. 하지만 최대, 최소주응력 분석 결과채굴 공동의 벽면에 약간의 인장응력이 발생하는 것으로 예측되었는데 이는 공동의 안정성에 영향을 미칠만한 크기는 아니지만 향후 채굴작업 시 공동벽면에서 발생하는 인장응력에 대한 주의를 기울일 필요가 있는 것으로 판단된다.
우선, 경험적 방법으로 확장 Mathews stability graph method를 이용하여 본 연구대상지역의 지하채광장 안정성 평가결과 운반갱도, 채광징; 중단채굴법에 의해 형성된 공동 모두 추가적인 지보 없이 안정한 상태를 유지할 수 있을 것으로 조사되었으며, 한계 공동폭 설계 방법을 이용한 안정성 평가결과 운반갱도 및 채광 장의 경우 별도의 지보 없이 안정한 상태가 유지될 수 있으나, 중단채굴법에 의해 형성된 공동의 경우 안정성 확보를 위해서는 추가적인 지보를 설치해야 흐}는 것으로 조사되었다.
응력검토결과 최대주응력의 경우 채굴공동의 광주에 약 8~10 MPa의 최대주응력이 발생하는 것으로 예측되었으며, 특히 채굴공동의 모서리에 응력이 집중되는 것을 알 수 있으며, 전체적으로 굴착 이전상태의 응력보다 평균 3배정도 증가하는 것으로 나타났다. 최소주응력의 경우 전체적으로 3 MPa 이내이나 채굴 공동의 양쪽 측벽 중앙부에서 약 0.
범위를 책정하였다. 이 기준을 본 광산에 적용시켜 본 결과는 Fig. 5에서 보는 바와 같이 무지보로 자립 가능한 공동의 최대 폭은 17.6 m 인 것으로 나타났으며, 잠재적인 낙반에 대비하여 추가적인 지보를 타설 하는 경우 공동의 최대 폭은 25.7 m인 것으로 나타났다. 따라서 본 연구구간의 운반갱도와 채광장의 경우 별도 의지 보 없이 안정한 상태를 유지할 수 있으며, 중단채굴법에 의해 형성된 공동의 경우 안정성 확보를 위해 추가적인 지보를 설치해야 하는 것으로 나타났다.
현지암반의 공학적 분류는 현재 노천채광이 이루어지고 있는 건동광산과 남일광산 노두를 대상으로 RMR(Bieniawski, 1973), Q-system(Barton et al, 1974)을 이용하여 실시하였으며(Fig. 2), 그 결과는 Table 3과 같이 RMR값의평균은 61.6, Q값의 평균은 8.9였으며, 4개의 시추 코어에서의 RMR값과 Q값을 추가로 고려한다면, RMR값의 평균은 62.5, Q값의 평균은 9.2로 전체적으로 양호한 암반상태를 나타내고 있다.
후속연구
못하였다. 갱도굴착과정에서 단층, 파쇄대 구간이 나타나는 경우 낙반 및 과대 변위 발생 지점이 존재 할 수 있으므로 지속적인 계측 및 위험구역에 대한 국부적인 보강과 지보가 필요할 것으로 판단되며, 채광작업이 종료된 후에는 붕락을 방지하기 위하여 빈 채굴 공동을 폐석으로 충전하는 것이 장기적인 안정성 확보를 위해 바람직할 것으로 판단된다.
또한 3차원 유한요소해석은 해석구간의 지반의 물성이 동일하다는 가정 하에서 해석을 한다는 한계점을 갖고 있으며, 본 광산은 현재 본격적인 지하 채광이 이루어지고 있지 않아 지하채광장의 지하수 조건을 해석에 고려하지 못하였다. 갱도굴착과정에서 단층, 파쇄대 구간이 나타나는 경우 낙반 및 과대 변위 발생 지점이 존재 할 수 있으므로 지속적인 계측 및 위험구역에 대한 국부적인 보강과 지보가 필요할 것으로 판단되며, 채광작업이 종료된 후에는 붕락을 방지하기 위하여 빈 채굴 공동을 폐석으로 충전하는 것이 장기적인 안정성 확보를 위해 바람직할 것으로 판단된다.
5 MPa의 응력장이 작용하는 지반이 굴착 된 후 대부분의 응력이 이완되고 13 mm 내외의 변위가 발생하는 것으로 예측 되었으며 발생한 변 위는 굴착 규모에 비해 매우 작은 값으로 무지보를 바탕으로 해석한 결과임을 감안할 때 안정성에 크게 문제가 없을 것으로 판단된다. 하지만 최대, 최소주응력 분석 결과채굴 공동의 벽면에 약간의 인장응력이 발생하는 것으로 예측되었는데 이는 공동의 안정성에 영향을 미칠만한 크기는 아니지만 향후 채굴작업 시 공동벽면에서 발생하는 인장응력에 대한 주의를 기울일 필요가 있는 것으로 판단된다.
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