[논문]채굴적에 의한 지반침하 사례 분석을 통한 침하발생 범위의 추정에 관한 연구

김병렬; 이승중; 최성웅

doi:10.7474/tus.2013.23.1.031

[국내논문] 채굴적에 의한 지반침하 사례 분석을 통한 침하발생 범위의 추정에 관한 연구
A Study on the Prediction of Surface Subsidence Zone through the Case Studies on Mined-out Area 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.23 no.1, 2013년, pp.31 - 41

김병렬 (강원대학교 에너지.자원공학과 대학원) , 이승중 (강원대학교 공과대학 에너지.자원공학과) , 최성웅 (강원대학교 공과대학 에너지.자원공학과)

초록
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폐광산에서의 지표침하의 영향범위를 추정하기 위하여 많이 적용되어 왔던 도식법은 수평탄층에서 흔히 발생하는 트러프형 침하의 영향범위를 추정하는데 그 적용성이 높은 것으로 알려져 왔다. 그러나 국내 광산의 광체들은 대부분 급경사이며, 침하 형태 또한 함몰형의 빈도가 상대적으로 높은 것으로 보고되고 있기 때문에, 국내 침하지에 도식법을 직접적으로 적용하는 것은 바람직하지 않다. 따라서 본 연구에서는 국내 폐광산 지역에서 발생한 총 163개의 지표침하 발생지에 대한 사례분석을 실시하여, 채굴적의 위치를 기준으로 광체의 경사방향 및 광체의 경사반대방향으로의 지표침하 발생범위를 규명하였다. 또한 이를 토대로 채굴적의 심도를 고려한 지표침하 발생범위에 대한 추정각을 산정하였으며, 기존의 도식법과의 비교분석 및 지표침하 발생 사례 적용분석을 통해 최종적으로 이 추정각의 범위를 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Graphical method has been widely applied to the prediction of subsidence area, and is known to have advantages in analysis of trough subsidence which is common in horizontally seamed mine area. However, it is reported that most of the ore bodies in Korea are geologically inclined from sub-horizontal to steep, and therefore, the sinkhole subsidence is frequent in abandoned mine area. For these reasons, it is not to be desired that graphical method is applied for predicting the subsidence occurrence. This paper describes the results of subsidence zone prediction considering the dip direction and the opposite direction of inclined ore bodies from the case studies on the 163 subsidence occurrence regions. The results show also the assumed angle which can define the range of subsidence in the surface area. In conclusion, the limit of this angle is suggested after taking into account the comparison with graphical method and the application to the case histories.

Keyword

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문제 정의

본 연구에서는 국내의 지질 및 지반조건에 적합한 지표침하의 발생범위를 추정하기 위하여, 도식법의 기초 이론을 수정하여 이를 단순화하였고, 국내 지반침하 사례조사에 적용하여 기존의 조사결과를 재검토하였다. 또한 조사된 각 요인들의 상관성 분석을 실시하였으며, 이를 토대로 사례조사 자료에 근거한
가설 설정
- 후)수직 연장선을">수직연장선을 기준으로 조사하였다. 이때 지표면의 지형적인 조건은 분석 모델의 단순화를 위해 평평한 지표면으로 가정하였다. α₁ 및 α₃은 다음의
  제안 방법
  
  또한 조사된 각 요인들의 상관성 분석을 실시하였으며, 이를 토대로 사례조사 자료에 근거한 지표침하의 최대 발생 범위를 산정하고, 이를 기존 도식법에서 제안된 한계각과 비교 및 분석하였다.
  
  선정된 침하지의 단면을 중심으로 광체의 경사, 채굴적 및 침하지의 위치를 조사하였으며, 국내 침하지의 지표침하 발생범위를 분석하기 위해 도식법의 기초이론을 수정 및 보완하여 본 연구에 활용하였다.
  
  침하지 단면에 대한 조사항목은 총 6가지 항목으로서 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 채굴적의 심도(D), 채굴적의 직상부 지표면에서 광체의 경사방향으로의 침하지까지의 수평거리(Hd), 채굴적 직상부 지표면에서 광체의 경사반대방향으로의 침하지까지의 수평거리(Hu), Hd를 정의하는 추정각(α1), Hu를 정의하는 추정각(α3), 그리고 광체의 경사(θ)이다.
  
  조사 항목 중 D와 θ는 침하지 단면의 축적과 각도를 이용하였으며, D는 조사된 대부분의 보고서 상에 채굴적의 규모에 대한 정확한 정보를 포함하고 있지 않아 침하에 직접적으로 영향을 미치는 지표 인근 최상부 갱도의 심도로 대체하였다.
  
  하지만 본 연구에서는 도식법으로부터 추정하고자 하는 지표침하의 영향범위가 아닌 국내 침하사례들에 근거한 지표침하의 발생범위를 추정하고자 Fig. 1의 도식법 기초이론을 Fig. 2와 같이 단순화시켜 침하지 단면 분석에 활용하였다.
  
  후)지표인근">지표 인근 최상부 갱도의 심도로 대체하였다. 또한 H_d와 H_u의 경우, 채굴적의 중심에서 지표방향으로의 수직연장선을 기준으로 조사하였다. 이때 지표면의 지형적인 조건은 분석 모델의 단순화를 위해 평평한 본 연구에서 단면 분석의 예시로 사용된 대륭탄광과 일월탄광의 침하지 단면 분석 결과는 Table 1에서와 같이 요약할 수 있으며 동일한 방법으로 33개의 국내 지반안정성 조사보고서를 분석하여 총 163개소의 침하지에 대한 단면 분석을 수행하였다.
  
  θ에 따른 지표침하 발생범위 α는 앞서 조사방법에서 서술한 바 있듯이 α1과 α3로 구분하여 분석하였다.
  
  후)채굴적직상부를">채굴적 직상부를 기준으로 하여 수평거리 20 m 간격으로 정리한 것이다. 채굴적의 직상부에서 발생한 침하의 수평거리 범위는 반경 5 m 범위로 정하였으며, 이를 기준으로 광체의 경사방향으로의 지표면에서 발생한 침하지와 광체의 경사 반대방향으로의 지표면에서 발생한 침하지로 구분하였다.
  
  결과적으로 국내 지표침하 발생범위 중 채굴적 중심에서 광체 경사방향의 지표면까지 발생되는 α1의 범위는 Fig. 5와 같으며, 본 연구의 목적인 함몰형 침하의 최대 발생범위를 추정하고자 각 광체의 경사각에서 분석된 α1의 최댓값들을 포함할 수 있는 이차함수의 상한 포물선으로 그 범위를 제한하였다.
  
  침하사례 조사결과에 대하여 침하위치별 침하발생빈도와 α(α1, α3), θ를 중심으로 분석을 수행하였으며, 본 연구에서 기초이론을 활용한 도식법과 분석결과를 비교하였다.
  
  본 연구에서는 지표침하 발생범위의 추정을 위하여 지표침하 영향범위 추정시 사용빈도가 높은 도식법의 기초이론을 연구 목적에 맞게 수정 및 단순화하였으며, 한국광해관리공단에서 발표한 총 33개의 지반침하 보고서를 표본조사하여 전체 163개소의 침하발생 지점에 적용하여 침하사례 조사를 실시하였다.
  대상 데이터
  
  본 연구에서는 국내 지반침하 지역의 지표침하 발생 범위 추정을 위해 한국광해관리공단에서 수행한 지반 안정성 보고서 33권을 대상으로 침하지 163개소에 대한 지질 복합도와 침하지 단면을 분석하였다(MIRECO, 1997a～2009). 분석된 침하지 163개소는 분석된">1997a～2009). 분석된 침하지 163개소는 침하지 단면과 광체의 방향성에 대한 정보가 비교적 양호하여 본 연구의 대상 지역으로 선정되었다.

성능/효과

후)침하 발생">침하발생 빈도가 낮아지는 것으로 분석되었다. 또한 채굴적의 직상부 인근 지표면에서 반경 25 m 범위 내에 121개소에서 침하가 발생된 것으로 분석되었으며, 이는 과반수 이상인 74.23%의 비율을 차지한다.
각 침하위치별 침하 발생 비율은 광체의 경사반대방향으로의 지표지, 채굴적 직상부의 지표지, 광체의 경사방향으로의 지표지 순으로 각각 40.49%, 31.90%, 27.61%의 비율을 나타내었다. 광체의 경사반대방향으로의 지표지에서 후)반대 방향">반대방향 지표면에서 채굴적 방향으로 광체의 경사를 따라 발생된 침하가 대부분이기 때문인 것으로 사료된다. 또한 조사된 침하지 163개소 중 15개소의 침하지를 제외한 나머지 138개소의 침하지는 모두 석탄광에서 발생된 것으로서 퇴적 광상의 성인 특성상 탄층과 주변 지층 간의 분리가 쉽게 발생되어 지표면에서 채굴적 방향, 즉 탄층의 경사방향으로 발생되는 침하에 유리하게 작용했을 것으로 판단된다.
5. α1 , α3의 침하발생 최대 범위를 나타내는 포물선 추세선과 Rom(1964), N.C.B(1975)의 ξ3, ξ1과 비교분석해 본 결과, α1의 포물선 추세선과 ξ3는 유사한 형상이지만 약 20°의 차이를 나타내며 α3과 ξ1는 서로 역전된 형태를 보임을 알 수 있다.
4. 국내 166개소의 침하사례 분석결과를 근거로 한 α1 , α3의 최대 범위는 θ가 30～80°의 범위 내에 있을 경우 α1=-0.018θ2+14.9θ+12.5 및 α3=-0.022θ2+1.998θ+10.5로부터 구해질 수 있다.
2. α1은 0～45°의 θ의 범위에서 큰 분산도를 나타내며 뚜렷한 경향을 보이지 못했으나 45° 이상의 범위에서는 θ가 90°일 때 작은 분산도를 보이며 0°에 가깝게 수렴하는 경향을 보인다.
또한 채굴적 직상부 인근이나 θ 방향에 비해 θ 반대방향에서 높은 침하발생 비율을 나타내고 있으며, 이는 채굴에 의해 취약해진 상반 혹은 지표까지 연장된 광체의 영향인 것으로 분석되었다.
1. 채굴적의 직상부에서 수평거리가 멀어질수록 침하발생빈도가 낮아지며 채굴적 직상부 인근 지표면의 반경 25 m 범위 내에서 전체 침하지 중 74.21%의 침하가 발생하는 것을 확인하였다.
이상의 분석결과를 이용하여 국내 석탄광 지역에서의 함몰형 침하의 발생범위를 추정할 경우, 도식법을 비롯한 국외의 지표영향 범위를 추정하는 방법들에 비해 국내의 광체부존특성에 더 잘 부합하는 결과를 산출할 것으로 사료된다. 본 연구는 국내
후속연구
- 따라서 정확한 지표침하 발생범위 추정을 위해서는 본 연구에서 분석된 α3와 함께 해당 침하지에서의 불연속면의 분포특성에 관한 조사가 추가로 필요할 것이라 사료된다.
- 정확한 지표침하 발생범위를 추정하기 위하여 추가적인 침하사례 분석이 수행된다면 α1과 α3의 최대 범위를 더욱 명확히 규명할 수 있을 것이다.
- 후)발생 범위를">발생범위를 규명하기 위해 채굴적의 중심에서 함몰형 침하가 발생된 위치를 조사하여 α를 도출하였기 때문이다. 결과적으로 본 연구의 접근 방법은 함몰형 침하의 발생범위 추정을 위한 방법으로서 기존 도식법의 산출방식과 차이가 있기 때문에 특정 지역의 침하지에 대한 분석시 유의할 필요가 있다.
- 후)광체부존 특성에">광체부존특성에 더 잘 부합하는 결과를 산출할 것으로 사료된다. 본 연구는 국내 지표침하 발생범위에 관한 기초 연구로서 불연속면, 지표지형 등에 대한 고려가 생략되었고 조사된 침하지의 90% 이상이 석탄광이었기 때문에 복잡한 지표지형과 불연속면이 분포되어있는 지역 또는 광상이 맥(vein)의 형태가 아닌 광산에 적용할 때, 본 연구의 추정각을 이용하여 침하 발생범위를 추정할 경우 높은 적용성을 기대하기 힘들다. 그러나 향후 다양한 광종의 침하지에 대한 추가적인 사례연구와 후)발생 범위를">발생범위를 추정할 경우 높은 적용성을 기대하기 힘들다. 그러나 향후 다양한 광종의 침하지에 대한 추가적인 사례연구와 불연속면, 지표지형 등의 지질학적인 요인들에 대한 종합적인 연구가 진행 되어야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주요 침하영향 인자들을 분석하여 침하발생 이전에 이를 예측하고 평가할 수 있는 연구가 필요한 이유는 무엇인가?	최근 발생한 두 침하사례 뿐만 아니라, 국내 휴･폐광산에서 발생한 침하형태는 대부분 함몰형 침하이며, 이러한 침하 형태의 경우, 침하발생 이전에 뚜렷한 징조가 없어 발생시기를 예측하기가 어렵다. 또한 침하깊이가 비교적 얕은 트러프(trough)형 침하에 비해 함몰형 침하의 깊이는 수 m～수십 m에 달하기 때문에 도로, 철도, 주거지역 등에서 발생할 경우, 대규모의 재산 및 인명 피해를 초래할 수 있다. 따라서 지반침하에 의한 피해를 최소화하기 위해서는 주요 침하영향 인자들을 분석하여 침하발생 이전에 이를 예측하고 평가할 수 있는 능동적인 연구가 수행되어야 한다.
	도식법은 어디에, 어떻게 적용되어 왔는가?	폐광산에서의 지표침하의 영향범위를 추정하기 위하여 많이 적용되어 왔던 도식법은 수평탄층에서 흔히 발생하는 트러프형 침하의 영향범위를 추정하는데 그 적용성이 높은 것으로 알려져 왔다. 그러나 국내 광산의 광체들은 대부분 급경사이며, 침하 형태 또한 함몰형의 빈도가 상대적으로 높은 것으로 보고되고 있기 때문에, 국내 침하지에 도식법을 직접적으로 적용하는 것은 바람직하지 않다.
	최근 발생한 대표적인 지반침하 사례는 무엇이 있는가?	최근 국내 휴･폐광산에서의 지반침하 사례가 언론을 통해 보도되면서, 지반침하에 대한 사회적 관심이 높아지고 있다. 최근 발생한 대표적인 지반침하 사례로는, 2012년 9월 충청북도 청원군 가덕면에서 발생한 지름 약 10 m, 깊이 약 20 m 규모의 함몰형 침하가 있으며, 같은 해 10월 충청북도 옥천군 청산면 농경지에서도 지름 약 5 m, 깊이 약 3 m 규모의 함몰형 침하가 발생한 바가 있다.

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