[논문]일광광산의 절리분포 특성과 광산배수 산성도의 관계

최재영; 엄정기; 권현호; 심연식

일광광산의 절리분포 특성과 광산배수 산성도의 관계
Relationship between fracture distribution and the acidity of mine drainage at the Il-Gwang Mine 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.20 no.4 = no.66, 2010년, pp.425 - 436

최재영 (한국과학기술원) , 엄정기 (부경대학교 에너지자원공학과) , 권현호 (한국광해관리공단) , 심연식 (한국광해관리공단)

초록
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이 연구는 부산광역시 기장군 일광면 일대의 일광광산 주변에 위치한 절리암반에 대하여 추계론적 해석기법을 적용하여 삼차원 절리연결구조를 구현하고 절리의 기하학적 특성에 따른 광산배수 산성도의 특성을 고찰하였다. 절리 분포특성을 규명하기 위하여 산성광산배수 발생 가능지역을 중심으로 지표 선형조사선과 시추공영상촬영에 의한 절리조사를 실시하였다. 일광광산의 현장실험 암반에 대한 삼차원 절리연결구조 모델이 추계론적으로 구현되었다. 예측된 절리분포의 타당성을 검토한 결과 모사된 삼차원 절리연결구조는 현장암반의 절리 분포특성을 잘 반영하는 것으로 나타났으며 광산배수 유동에 대한 개관적인 개념을 제공할 수 있다. 현장에서 자연수 주입으로 산성배수를 유도하기 위한 주입공 1공 및 관측공 3공이 설치되었다. 총 29일 동안 주입공으로 투입된 자연수를 모니터링한 결과 절리연결구조에 따른 절리의 기하학적 모수와 산성광산배수 발생 간에 상관성이 있는 것으로 해석되었다. 절리주향의 상대빈도가 상대적으로 큰 방향으로의 관측공에서 높은 값의 pH를， 그리고 낮은 값의 $SO^{2-}_4$ 농도가 측정되었다. 전반적인 추세는 절리주향의 상대빈도가 증가할수록 pH는 로그함수적인 증가를 보이며 $SO^{2-}_4$ 농도는 로그함수적인 감소를 나타내며 높은 결정계수의 상관성을 갖는다. 절리밀도가 상대적으로 큰 방향으로의 관측공에서 낮은 값의 pH를, 그리고 높은 값의 $SO^{2-}_4$ 농도가 측정되었다. 전반적인 추세는 1-D 절리밀도가 증가할수록 pH는 음지수함수적인 감소를 보이며 $SO^{2-}_4$ 농도는 지수함수적인 증가를 나타낸다.

Abstract ▼ AI-Helper

We established a stochastic 3-D fracture network system for fractured rock masses located in Il-Gwang Mine, Busan, to explore the relationship between the acidity of mine drainage and fracture geometry. A field scanline survey and borehole image processing were performed to estimate the best probability distributions of fracture geometry parameters. The stochastic 3-D fracture network system constructed for the rock masses was validated and deemed to be successful. The 3-D fracture network model was suitable for developing conceptual ideas on fluid flow in fractures at a field experimental site. An injection well and three observation wells were drilled at the field experimental site to monitor the acidity of mine drainage induced by the injection of fresh water. The field experiment, which was run for 29 days, yielded a significant relationship (with a high coefficient of determination) between the fracture geometry parameters and the acidity of mine drainage. The results show that pH increased with increasing relative frequency of fracture strike, and decreased with increasing fracture density. The concentration of $SO^{2-}_4$ decreased with increasing relative frequency of fracture strike, and increased with increasing fracture density.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

현장에 분포하는 절리에 대한 선형조사선 자료와 시추공 자료를 통합하여 절리의 기하학적 요소에 대한 확률분포를 기초로 몬테칼로 모사 기법(허인실 외, 2006)을 적용하여 연구지역에 대한 삼차원 절리연결구조를 구현하였으며 타당성을 검토하여 현장 암반의 절리연결구조를 대표할 수 있는 삼차원 절리 연결구조 모델이 제시되었다. 본 연구는 이와 같은 삼차원 절리 연결구조 모델에 기반을 둔 절리의 방향성, 밀도 등의 기하학적 특성치의 변화가 광산배수 산성도에 미치는 영향에 대하여 규명하고자 한다.
이 연구는 절리암반의 특성이 고려된 사용자 중심의 인간 친화적 광산배수 예측 및 제어를 위한 기초 핵심요소 연구개발의 일환으로 부산광역시 기장군 일광면 일대의 일광광산 주변에 위치한 절리암반에 대하여 추계론적 해석기법을 적용하여 삼차원 절리연결구조를 구현하고 절리의 기하학적 특성에 따른 광산배수 산성도의 변화를 고찰하였다. 현장암반에서 자연수 주입으로 산성배수를 유도하기 위한 주입공 및 관측공 설치를 위하여 지표 노두에 대한 선형조사선(scanline) 조사를 바탕으로 절리분포 특성이 파악되었다.
3은 삼차원 절리연결구조 모델링 과정의 절차를니타내는 흐름도이다. 이 연구에서는 지표노두의 선형 조사선과 시추공영상촬영에 의한 절리자료를 통합하여 현장 실험 암반을 모사하기 위한 입력자료로 사용하였다. 앞에서 언급하였듯이 절리의 방향성 분석을 위해서는 현장 조사를 실시하여 얻어진 절리의 방향자료에 대하여 Mahtab and Yegulalp (1982, 1984)에 의해 제안된 클러스터링 알고리즘을 적용하여 절리군을 구분하였다.
결정된다. 절리의 방향^과 광산배수 산성도의 관계를 논의함에 있어서 경사방향과 경사를 함께 고려하여 취급하기에는 어려움이 따르며, 이 연구에서는 절리의 주향방향을 기하학적 모수로 취급하여 광산배수와의 상관성에 대하여 고찰하였다. Fig.

제안 방법

본 연구에서는 지표 노두에서 선형조사선 조사와 시추공영상촬영에 기초하여 현장의 제원에 따라 절리연결구조를 모사한 후 노출된 영역에서 가시화된 절리와 현장조사에 의한 절리의 기하학적 특성을 비교 분석하였다. 또한 수평면의 평면식을 사용하여 수평영역에 절리연결구조를 가시화한 후 나타난 절리 선의 주향방향을 이용하여 모사된 절리의 방향성에 대한 타당성도 검토하였다. 시험시공 현장에서 가시화된 절리 연결구조 모델이 Fig.
검토하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 지표 노두에서 선형조사선 조사와 시추공영상촬영에 기초하여 현장의 제원에 따라 절리연결구조를 모사한 후 노출된 영역에서 가시화된 절리와 현장조사에 의한 절리의 기하학적 특성을 비교 분석하였다. 또한 수평면의 평면식을 사용하여 수평영역에 절리연결구조를 가시화한 후 나타난 절리 선의 주향방향을 이용하여 모사된 절리의 방향성에 대한 타당성도 검토하였다.
1). 선형조사선 조사시 줄자를 사용하여 1-D 측선을 지표 노두에 설치하고 조사선과 교차하는 절리의 방향성, 간격, 연장성, 간극 및 충전물 등이 측정 . 기록되었다.
기록되었다. 연구지역 암반의 절리면 거칠기(JRC) 및 절리면 압축강도(JCS) 등의 역학적 특성도 파악되었는데, 프로파일게이지와 슈미트해머를 사용하여 3개소에 분포하는 노두를 대상으로 절리면 거칠기와 슈미트 반발지수를 측정하여 이들 지반정수에 대한확률분포가 추정되었다. JCS는 슈미트해머 타격시험 결과로 추정할 수 있다.
삼차원 절리연결구조를 생성하기위해 추계론적 해석 방법 중 가장 폭넓게 사용되는 몬테칼로 모사 기법은 절리의 방향분포, 절리간격과 연관된 위치분포, 크기분포에 대한 확률밀도함수를 도출한 후 각각의 확률변수들로부터 난수를 발생시키고 이 난수를 확률밀도함수에 적용하여 삼차원 공간상에 절리를 생성시키는 방법이다. 이를 위해 본 연구에서는 다음과 같은 과정을 수행하였다: (1) 절리의 중심위치를 결정하기 위해 직교좌표계에서 각각의 절리군에 대하여 포아송분포를 따르는 난수 # # # 를 발생 시키며, 이때 발생시키는 절리중심의 개수는 3-D 절리 빈도수를 따른다; (2) 현장실험 암반에서 구분된 절리 군의 방향분포는 기존의 이론적인 방향분포 모델로 적용하였던 피셔분포 및 빙햄분포 모델이 현장에 적합하지 못하므로 현장의 실제 방향자료를 전체범위로 지정한 후, 임의의 방향 자료를 선택하는 방식으로 절리의 수만큼 자료선택을 반복 한다; (3) 절리의 중심위치와 절리의 방향이 결정된 후원 판형 절리의 크기를 결정하기 위해 감마분포를 따르는 난수를 발생시킨다; (4) 현장조사 자료와 비교하여 모사된 절리의 방향, 빈도 및 길이 등의 타당성을 검토한다. 이와 같은 절차로 일광광산의 현장실험 암반에 대한 삼차원 절리연결구조를 15mx 15mx 15m 영역에 구현한결과가 Fig.
이와 같이 산 발생능 조사를 위한 계곡 수주 입은 29일 동안 수행되었다. 주입공을 통해 흘러 들어간 계곡수는 각각의 관측공(ob-1, 2, 3)을 통해 모니터링 하였으며 이를 위하여 관측공에서 동시에 주기적인 샘플링을 실시하였다. 관측공을 통해 샘플링한 지하수 시료에 대해서 pH, 전기전도도(electric coxiuctivity, B2), 총용존 고형물(total dissolved solids, TDS) 등은 현장에서 즉시 측정하였으며, SO조 농도는 이온크로마토그래피 (ion chromatography, IC, 850 Professional IC, Metrohm, Switzerland)!- 이용하여 실내에서 측정하였다.
현장암반에서 자연수 주입으로 산성배수를 유도하기 위한 주입공 및 관측공 설치를 위하여 지표 노두에 대한 선형조사선(scanline) 조사를 바탕으로 절리분포 특성이 파악되었다. 이를 바탕으로 현장에 주입공 1공과 관측공 3공이 시공되었으며, 이들 시추공에서 시추공 영상 촬영을 수행하여 절리자료가 취득되었다.
이를 바탕으로 현장에 주입공 1공과 관측공 3공이 시공되었으며, 이들 시추공에서 시추공 영상 촬영을 수행하여 절리자료가 취득되었다. 현장에 분포하는 절리에 대한 선형조사선 자료와 시추공 자료를 통합하여 절리의 기하학적 요소에 대한 확률분포를 기초로 몬테칼로 모사 기법(허인실 외, 2006)을 적용하여 연구지역에 대한 삼차원 절리연결구조를 구현하였으며 타당성을 검토하여 현장 암반의 절리연결구조를 대표할 수 있는 삼차원 절리 연결구조 모델이 제시되었다. 본 연구는 이와 같은 삼차원 절리 연결구조 모델에 기반을 둔 절리의 방향성, 밀도 등의 기하학적 특성치의 변화가 광산배수 산성도에 미치는 영향에 대하여 규명하고자 한다.

대상 데이터

2 는 현장실험을 위한 Nx 구경의 주입공 1공과 관측공 3공이 시공된 절리암반의 전경이다. 대상암반은 높이 3 m, 경사 1:1의 사면을 형성하고 있다. 사면의 상단에는 주입공 1공(BH-1) 및 관측공 2공(OB-1, 0B-3)t, 사면 하단에는 관측공 1공(OB-2)을 시공하였다.
현장암반에서 자연수 주입으로 산성배수를 유도하기 위한 주입공 및 관측공 설치를 위하여 지표 노두에 대한 선형조사선(scanline) 조사를 바탕으로 절리분포 특성이 파악되었다. 이를 바탕으로 현장에 주입공 1공과 관측공 3공이 시공되었으며, 이들 시추공에서 시추공 영상 촬영을 수행하여 절리자료가 취득되었다. 현장에 분포하는 절리에 대한 선형조사선 자료와 시추공 자료를 통합하여 절리의 기하학적 요소에 대한 확률분포를 기초로 몬테칼로 모사 기법(허인실 외, 2006)을 적용하여 연구지역에 대한 삼차원 절리연결구조를 구현하였으며 타당성을 검토하여 현장 암반의 절리연결구조를 대표할 수 있는 삼차원 절리 연결구조 모델이 제시되었다.
절리조사를 위하여 광산배수 발생 가능성이 높다고 판단된 일광광산의 갱구부 및 인근에서 총 3개소QC₁, IC3, IC5)의 선형조사선 조사가 실시되었다(Fig. 1). 선형조사선 조사시 줄자를 사용하여 1-D 측선을 지표 노두에 설치하고 조사선과 교차하는 절리의 방향성, 간격, 연장성, 간극 및 충전물 등이 측정 .

데이터처리

4는 통합된 절리 자료의 방향분포를 나타내고 있다. 절리의 간격 과연 장성 분석을 위해서는 각각 선형조사선의 길이 및 노출 암반의 형상에 따르는 절리의 간격 및 길에 대한 오차를 보정하고(Kulatilake and Wu., 1984, 1986; Priest and Hudson, 1976, 1981; Sen and Kazi, 1984; ethugala et al., 1990) 각각에 대하여 추정된 이론적 확률분포에 대하여 Kolmogaov - Smirnov (K&S) 적합성 검정을 수행하였다. 절리자료의 통계분석을 위한 세부적인 절차는 허인 실 외(2(X)6)를 참고할 수 있다.

이론/모형

절리자료의 통계분석을 위한 세부적인 절차는 허인 실 외(2(X)6)를 참고할 수 있다. Table 5에 요약된 현장실험 암반에 분포하는 절리에 대한 통계분석 결과를 기초로 몬테칼로 모사기법을 사용하여 삼차원 절리 연결구조가 구현되었다.
이 연구에서는 지표노두의 선형 조사선과 시추공영상촬영에 의한 절리자료를 통합하여 현장 실험 암반을 모사하기 위한 입력자료로 사용하였다. 앞에서 언급하였듯이 절리의 방향성 분석을 위해서는 현장 조사를 실시하여 얻어진 절리의 방향자료에 대하여 Mahtab and Yegulalp (1982, 1984)에 의해 제안된 클러스터링 알고리즘을 적용하여 절리군을 구분하였다. Fig.

성능/효과

3개의 관측공 중 OB-2의 방향이 가장 큰 절리밀도를갖으며 OB-1, OB-3 방향 순으로 절리의 밀도가 감소한다. Fig.
따라서 광산배수가 절리를 따라 유동한다고 가정할 때 OB-1 방향이 OB-2 방향보다 절리의 연결성이 우세하여 광산배수의 유동성이 양호할 수 있음을 직관적으루-두 유추할 수 있다. Fig.
있어서 유용한 정보를 제공한다. 본 연구지역에서 제한된 기간 내에 광산배수에 관련된 의미 있는 현장 실험 결과를 얻기 위해서는 주 절리의 주향 방햐인 N-E 방향과 이에 수직을 이루며 경사방향의 반대 방향으로 관측 공을 설치하는 것이 효과적일 것으로 판단하였다. Fig.
연구지역에서 RQD는 평균 41로 비교적 낮게 산출되었다. 암반 분류를 위한 종합적인 RMRe 67점으로 평가되어 암반등급 n~m에 해당하는 것으로 추정되는데, 이와 같은 절리암반은 암반 등급이 매우 양호하나 혹은 불량하지도 않아서 절리 분포 특성에 따른 광산배수의 산성도 변화를 고찰하기 위한 현장 실험 장소로 적합할 것으로 판단된다. 암반 등급이 매우 양호한 경우에는 풍화도가 낮고 절리 발달이 미약하여 비교적 단기간의 현장실험으로 절리 분포에 따른 광산 배수의 산성도 변화를 관찰하기 힘들 것으로 사료된다.
이용될 수 있다. 예측된 절리분포의 타당성을 검토한 결과 현장암반에 대하여 구현된 삼차원 절리 연결구조는 현장암반의 절리 분포특성을 잘 반영하는 것으로 해석되었다. 일광광산의 삼차원 절리연결구조 모델은 광산 배수 유동에 대한 직관적인 개념을 제공할 수 있으며, 절리연결구조에 따른 절리의 기하학적 모수와 광산 배수산성도 사이에 상관성이 있는 것으로 판단된다.
13에서 가로축은 절리밀도이며 OB-3, OB-1, OB-2 순으로 낮은 값에서 높은 값을 갖는다. 전반적으로 절리 밀도가 상대적으로 큰 방향으로의 관측공에서 낮은 값의 pH를, 그리고 높은 값의 SO₄₂- 농도가 측정되었다. 전반적인 추세는 절리밀도가 증가할수록 pH는 음 지수함수적인 감소를 보이며 SO;는 지수함수적인 증가를 나타낸다.
Fig. 11에서 전반적으로 절리주향의 상대빈도가 상대적으로 큰 방향으로의 관측공에서 높은 값의 pH를, 그리고 낮은 값의 SO} 농도가 측정되었다. 전반적인 트랜드는 절리 주향의 상대빈도가 증가할수록 pH는 로그 함수적 인증 가를 보이며 SO?는 로그함수적인 감소를 나타내며 높은 결정계수의 상관성을 갖는다.

후속연구

추계론적으로 모사된 삼차원 절리연결구조는 현장 암반의 이차원 영역에서 각 절리군에 대한 절리선 구조를 예측하는데 이용될 수 있다. 예측된 절리분포의 타당성을 검토한 결과 현장암반에 대하여 구현된 삼차원 절리 연결구조는 현장암반의 절리 분포특성을 잘 반영하는 것으로 해석되었다.

참고문헌 (15)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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