[논문]서비스업 활용을 위한 광산 폐갱도의 안정성 평가

선우춘; 정소걸; 이윤수; 강상수; 강중석

doi:10.7474/tus.2012.22.5.297

서비스업 활용을 위한 광산 폐갱도의 안정성 평가
Stability Assessment of Abandoned Gangway for Commercial Utilization of Services 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.22 no.5 = no.100, 2012년, pp.297 - 309

선우춘 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) , 정소걸 (한국지질자원연구원 광물자원연구본부) , 이윤수 (경북대학교 지질학과 대학원) , 강상수 (한국지질자원연구원 광물자원연구본부) , 강중석 (한국지질자원연구원 광물자원연구본부)

초록
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서비스업 목적을 위한 폐갱도에 대한 안정성 평가가 수행되었다. 공동의 안정성에 영향을 주는 많은 요소들 중 주어진 암반내의 공동폭이 하나의 중요한 설계요소가 된다. 이 논문에서는 폐갱도의 안정성 평가를 위해 갱도의 크기에 대해 Lang이 제안한 한계 공동폭 기준, Mathews'stability graph method 그리고 수정 제안된 한계 공동폭 기준과 Q 시스템의 지보대책을 이용하여 안정성 평가를 실시하였다. 전체적으로 안정성평가에서 안정한 것으로 판단되지만, 저각의 수평절리가 나타나는 구간에서는 쐐기형 블록의 낙석 위험이 예상된다. 또한 상용목적으로 폐갱도를 활용할려면 구역에 따라서는 록볼트와 같은 지보대책이 필요하다. 출입구 구간은 불안정 구간으로 특히 주의가 필요한 구간이다. 과발파에 의한 갱도 천정 및 측벽에 많은 크고 작은 부석들이 존재하고 있어 부석들에 대한 제거작업이 선행되어야 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The stability assessment of abandoned gangway for the purpose of services was performed. Among the many factors that affect the stability of openings, the span of the opening in a given rock mass condition provides an important element of design. In this paper, the stability of gangway was assessed by the critical span curves proposed by Lang, the modified Mathews'stability graph method and using support measures of the Q system. In the evaluation of stability as a whole the gangway is considered as stable. But the rockfalls of wedge-shaped blocks were expected in the area in which the horizontal joints of low angle appear. The support measures such as local rock bolts are required to use for commercial purposes of the abandoned gangway. And entrance section may require the particular attention as unstable section. Since there are so many spalling due to bad blasting in the roof and sidewall of gangway, the scaling operations should be followed primarily.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

지하공동의 안정성은 생산성과 안전을 확보해야 하는 광산의 운영에 있어서 가장 중요한 관심사이기 때문에 이들 평가방법 중에 암반분류방법이 경험적인 방법으로 광산 설계에 있어서 필수적인 부분을 구성하며 해석적인 방법과 함께 많이 사용되고 있다. 또한 암반분류법의 주요 목적은 과거의 경험을 기초로 하여 암반의 성질을 정량화하는 것이다. 공동의 안정성에 영향을 주는 많은 요소들 중에서 주어진 암반 조건에서의 공동의 폭이 하나의 중요한 설계요소가 된다.
암반의 불안정성은 절리나 단층과 같은 암반구조에 의한 불안정성과 과도한 응력에 의한 불안정성으로 크게 분류할 수 있다. 본 논문에서는 폐갱도의 천정과 벽면에서 형성될 수 있는 쐐기형 블록에 의한 낙석에 대한 안정성을 검토하기 위해 Keyblock(키블록) 해석을 수행하였다.
본 논문은 서비스를 목적으로 활용하려는 폐갱도에 대해 현장조사를 통해 현재 상태의 갱도에 대한 안정성 평가에 대한 방법과 결과에 대해 설명하고자 한다. 지하공동의 불안정한 조건은 일반적으로 측벽이나 천반으로부터의 낙석이 일어나면서부터 나타나기 시작하는 경우가 많다.

제안 방법

14와 같다. RMR값의 보정에 있어서 이 조사갱도에서는 저각의 절리들이 분포하기 때문에 본래의 RMR값과 10점을 감점시킨 보정된 RMR값에 대해 안정성을 검토하였다. Fig.
갱도 암반에서 측정한 Q값 최소 11.7과 최대 53.3을 기초로 하여(Table 4) 갱도의 사용목적에 따른 ESR(Table 7)과 현재의 갱도의 폭(6∼8 m)이 무지보 상태로 안전할 수 있는 가에 대해 검토하였다.
갱도내의 암반평가와 불연속면의 조사를 위해 Fig. 1과 같이 갱도 막장부의 무대로부터 출입구 지역의 Room 4까지 편의상 9개의 구역으로 나누어 작업을 실시하였다. 현장조사를 통해 불연속면 자료를 수집하였으며 RMR, Q 및 GSI에 의한 암반평가와 안정성 도표를 이용하기 위한 조사와 암반의 강도를 측정하기 위해 지수이용 강도시험(점하중시험과 슈미트 햄머시험)도 수행하였다.
13과 같다. 갱도에서 측정한 갱도의 폭과 높이를 이용하여 수리반경을 구하였고, 갱도의 천정과 벽면에 대해 안정성평가를 실시하였다. Fig.
6) 목적으로 굴착되었지만, 현재는 상용목적으로 사람이 항상 상주하는 공동공간이 된다. 따라서 2가지의 경우에 대해 비교 검토하였다. 하나는 비축공동으로 간주하여 굴착지보지수 ESR을 1.
이 방법은 안전한 채광공동의 규격을 결정하기 위하여 Q 시스템을 보완하여 사용하며, Q 시스템의 4개 요소(RQD, Ja, Jn, Jr)는 그대로 사용하고 지하수저감요소(Jw)와 응력저감계수(SRF)를 1로 정의하여 구한 값인 Q'를 사용한다. 이 stability graph는 안정성 계수(stability number)와 수리반경(hydraulic radius) 또는 형상계수(shape factor)로 도식화 되며 Fig. 11a와 같이 안정지역(stable zone), 잠재적 불안정지역(potentially unstable zone), 잠재적 붕락지역(potentially caving zone)으로 구분하였다.
또한 암반내 불연속면들에 의한 구조적 불안정성은 블록이론(Goodman and Shi, 1985)을 적용한 쐐기해석을 통해 검토했다. 이번 조사의 경우는 복잡한 광산 구조가 아니라 진입갱도인 폐갱도를 이용하는 공간이기 때문에 수치해석적 방법보다는 광산에 적용하기 위해서 개발된 안정성도표(Mathews et al., 1980, Potvinet al., 1988)나 Critical span graph(Lang, 1994)와 Q시스템을 사용하여 안전성을 판단하였다.
조사갱도에서 측정한 RMR값으로 critical span design method에 의한 무지보의 한계 공동폭을 평가함으로써 조사갱도의 안정성에 대한 평가를 실시하였고, 그 결과는 Fig. 14와 같다. RMR값의 보정에 있어서 이 조사갱도에서는 저각의 절리들이 분포하기 때문에 본래의 RMR값과 10점을 감점시킨 보정된 RMR값에 대해 안정성을 검토하였다.
따라서 2가지의 경우에 대해 비교 검토하였다. 하나는 비축공동으로 간주하여 굴착지보지수 ESR을 1.3로, 다른 경우는 인원이 상주하기 때문에 ESR을 0.8에 해당하는 경우에 대해 검토하였다(Table 7). 갱도의 최대 및 최소폭이 8 m와 6 m이므로 ESR=1.
현장에서 Fig. 7과 같이 방해석, 석회석 그리고 층리가 발달하는 석회석에 대해 시험을 실시하였다. Fig.
1과 같이 갱도 막장부의 무대로부터 출입구 지역의 Room 4까지 편의상 9개의 구역으로 나누어 작업을 실시하였다. 현장조사를 통해 불연속면 자료를 수집하였으며 RMR, Q 및 GSI에 의한 암반평가와 안정성 도표를 이용하기 위한 조사와 암반의 강도를 측정하기 위해 지수이용 강도시험(점하중시험과 슈미트 햄머시험)도 수행하였다.

대상 데이터

Schmidt hammer는 미리 압축된 스프링에 축적된 힘을 해방시켜 햄머가 암반의 표면에 부딪힐 때 그 반발력을 측정함으로써 암석의 강도를 추정하고자 하는 장비이다. Sanyo Testing Machines사의 Schmidt Hammer Type GS를 이용하여 강도를 측정하였다(Fig. 6b).
불연속면의 조사는 갱도 벽면을 대상으로 실시했다. 갱도에서 조사된 전체 불연속면의 방향성은 크게 4개 그룹의 불연속면군이 분포한다(Fig.
공동의 형상, 불연속면의 분포 및 역학적 특성을 이용하여 지하공동내 블록의 낙반가능성을 분석할 수 있는 프로그램인 Rocscience사의 UNWEDGE(Rocscience, 2008)를 사용하여 키블록 해석을 수행하였다. 해석을 위한 불연속면의 물성특성은 한국지질자원연구원에서 수행한 연구(선우춘 외, 2003, 2004)의 현장조사 및 실험에서 구한 자료를 입력자료로 사용하였다(Table 5). 주어진 갱도 방향에 대해 Table 1에서 언급된 4개의 불연속면군에 대해 안전율을 1.

데이터처리

갱도나 터널과 같은 지하구조물에서 불연속면의 교차에 의해 생성되는 블록의 형상이나 안정성을 평가하는 방법 중의 하나가 키블록 해석이다. 공동의 형상, 불연속면의 분포 및 역학적 특성을 이용하여 지하공동내 블록의 낙반가능성을 분석할 수 있는 프로그램인 Rocscience사의 UNWEDGE(Rocscience, 2008)를 사용하여 키블록 해석을 수행하였다. 해석을 위한 불연속면의 물성특성은 한국지질자원연구원에서 수행한 연구(선우춘 외, 2003, 2004)의 현장조사 및 실험에서 구한 자료를 입력자료로 사용하였다(Table 5).

이론/모형

광산 갱도 및 채굴적 안정성 평가와 설계는 주로 암반분류와 같은 경험적 방법과 수치해석에 의해서 이루어진다. Bieniawski(1973 및 1989)에 의해 제안된 RMR분류법, 노르웨이의 Barton 외(1974) 및 Barton(2002)에 의해 개발된 Q 분류법 및 GSI에 의한 현장의 암반평가를 실시하였다. Hoek(1994), Hoek와 Brown(1997) 그리고 Hoek et al.
지하공동의 지보선정은 경험적인 방법과 암반분류법에 근거하여 선택하는 방법이 주로 사용된다. Q 시스템의 경우 체계적인 지보선정을 할 수 있도록 도표(Nickson, 1992)가 제공되기 때문에 본 검토에서는 이 도표를 사용하였다(Fig. 10). 갱도 암반에서 측정한 Q값 최소 11.
광산과 관련된 최초의 암반분류법은 Laubscher(1977)가 RMR법에 발파와 채광에 따른 절리의 방향, 풍화정도, 유도응력 그리고 응력의 변화 등을 고려한 암반분류법인 MRMR(Mining Rock Mass Rating)이며, 후에 Laubscher(1984)는 이 MRMR를 이용하여 실험실에서 구한 일축압축강도와 관련하여 설계 암반강도 개념을 도입하였다. 채광 공동설계를 위한 stability graph 법을 Mathews 외(1981)가 처음으로 제안하였지만, 초기의 stability graph법은 북미지역 광산의 깊은 심도의 경암암반의 급경사 채광공동들을 대상으로 한 것으로 자료들이 제한적이었기 때문에 후에 많은 학자들에 의해 자료가 확대되면서 수정보완 되었다(Povin et al.
GSI는 현장에서 육안관측으로 쉽게 사용할 수 있는 실용적인 시스템으로 크게 암반의 강도를 추정할 수 있는 암반의 구조적인 형태와 절리의 거칠기와 변형정도로 표시되는 불연속면의 표면적인 조건의 두 가지 요소로 구성된다. 또한 암반내 불연속면들에 의한 구조적 불안정성은 블록이론(Goodman and Shi, 1985)을 적용한 쐐기해석을 통해 검토했다. 이번 조사의 경우는 복잡한 광산 구조가 아니라 진입갱도인 폐갱도를 이용하는 공간이기 때문에 수치해석적 방법보다는 광산에 적용하기 위해서 개발된 안정성도표(Mathews et al.
암석의 강도는 현장에서 점하중 강도시험과 Schmidt hammer에 의한 시험을 통해 측정하였다. 점하중 강도 시험은 암석의 일축압축강도와 상관관계를 가지는 지수를 구하는 시험으로 특히 시험편성형에 있어서 정밀도를 필요하지 않기 때문에 비정형 암편시료도 측정이 가능하고 시험의 간편함과 운반이 용이한 시험장비로서 쉽게 현장에서 암석의 강도를 측정할 수 있다.
공동의 안정성에 영향을 주는 많은 요소들 중에서 주어진 암반 조건에서의 공동의 폭이 하나의 중요한 설계요소가 된다. 이 논문에서는 폐갱도의 안정성을 평가하기 위해 갱도의 크기에 대해서 Lang(1994)에 의해 제안된 한계 공동폭 기준, Mathews stability graph method(Mathews et al., 1980) 그리고 수정 제안된 한계 공동폭 기준(Potvin et al., 1988)과 Q 시스템의 지보대책(Nickson, 1992)을 이용하여 안정성 평가를 실시하였다.

성능/효과

7c와 같이 층리가 조밀한 시료에 대해서는 층리에 수직인 방향과 수평방향으로 강도를 측정하였고, 그 결과는 Table3과 같이 석회석은 약 50 MPa 전후로 보통암의 특성을 나타내고, 방해석은 28 MPa 정도의 강도로 연암의 특성을 나타내고 있다. 또한 갱도 측벽에서 측정된 Schmidt Hammer 시험 측정치와 이 값에 의한 환산 강도값은 전체적으로 30에서 100 MPa 사이의 값을 나타내며 평균값은 75 MPa 정도로 보통암의 강도를 나타내고 있다.
전체 암반에서 GSI는 55∼80의 값을 가지며 평균 70정도의 값을 갖는다.
전체적으로 RMR 값이 69인데 비해 갱도 출입구부는 지하수와 충전물의 영향으로 RMR 값은 56과 59를 나타낸다. 갱도와 불연속면의 방향을 보정한 총 RMR 값은 수직의 층리가 매우 불리한 조건으로 작용하여 57 정도의 값을 나타냄으로써 암반 등급이 보통인 III 등급이 된다.
갱도 및 갱도 외부에서도 관찰되는 저각의 절리들은 키블록 분석에서 다른 절리군과의 조합으로 갱도의 천정부에서 불안정한 쐐기블럭들을 형성하는 데 기여하고 있다. 점하중 강도시험결과 석회석의 강도는 약 50 MPa 전후로 보통암의 특성을 방해석의 강도는 28 MPa 정도로 연암의 특성을 나타내고 있다. 갱도 측벽에서 측정된 Schmidt Hammer 시험에 의한 강도측정치는 30∼100 MPa 그리고 평균값은 75 MPa 정도로 보통암의 강도를 나타내고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지하공동의 불안정한 조건은 언제 나타나기 시작하는가?	본 논문은 서비스를 목적으로 활용하려는 폐갱도에 대해 현장조사를 통해 현재 상태의 갱도에 대한 안정성 평가에 대한 방법과 결과에 대해 설명하고자 한다. 지하공동의 불안정한 조건은 일반적으로 측벽이나 천반으로부터의 낙석이 일어나면서부터 나타나기 시작하는 경우가 많다. 낙석의 크기와 양은 공동주위의 응력조건, 암반의 강도 및 불연속면을 포함하는 암반의 상태 그리고 공동의 규모에 따라 다양하게 나타날 수 있다.
	본 논문에서 수행한, 폐갱도의 안정성 평가를 위해 갱도의 크기에 대해 Lang이 제안한 한계 공동폭 기준, Mathews'stability graph method 그리고 수정 제안된 한계 공동폭 기준과 Q 시스템의 지보대책을 이용하여 안정성 평가를 통해 결론은 무엇인가?	이 논문에서는 폐갱도의 안정성 평가를 위해 갱도의 크기에 대해 Lang이 제안한 한계 공동폭 기준, Mathews'stability graph method 그리고 수정 제안된 한계 공동폭 기준과 Q 시스템의 지보대책을 이용하여 안정성 평가를 실시하였다. 전체적으로 안정성평가에서 안정한 것으로 판단되지만, 저각의 수평절리가 나타나는 구간에서는 쐐기형 블록의 낙석 위험이 예상된다. 또한 상용목적으로 폐갱도를 활용할려면 구역에 따라서는 록볼트와 같은 지보대책이 필요하다. 출입구 구간은 불안정 구간으로 특히 주의가 필요한 구간이다. 과발파에 의한 갱도 천정 및 측벽에 많은 크고 작은 부석들이 존재하고 있어 부석들에 대한 제거작업이 선행되어야 한다.
	낙석의 크기와 양은 무엇에 따라 다양하게 나타나는가?	지하공동의 불안정한 조건은 일반적으로 측벽이나 천반으로부터의 낙석이 일어나면서부터 나타나기 시작하는 경우가 많다. 낙석의 크기와 양은 공동주위의 응력조건, 암반의 강도 및 불연속면을 포함하는 암반의 상태 그리고 공동의 규모에 따라 다양하게 나타날 수 있다. 현재 광산조건에 적합한 지반제어대책을 결정할 수 있는 일반적인 방법이 없기 때문에 광산의 특수한 상황에 따라 경험적으로 결정되고 있다.

참고문헌 (21)

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