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문제 정의
- 본 연구는 발파 굴착 시 발생되는 굴진장 및 여굴량을 평가하기 위해 3차원 레이저 스캐닝 방법 및 3차원 모델링 프로그램 방법을 이용하여 분석하였으며 그에 따른 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 3차원 레이저 스캐너를 이용하여 현재 채광 중인 광산을 대상으로 굴진장 및 굴착면의 상태를 측정하여 굴진장, 여굴 및 미굴을 효율적으로 산정 방법을 제시하고 그 규모에 대해 평가했다. 이를 위하여 3차원 레이저 스캐너로 3차원 공간좌표를 기록하는 point-cloud를 획득하였다.
제안 방법
- 4) 설계 단면을 기준으로 여굴과 미굴을 정의하는 경우에는 여굴로 나타난 부분이 look-out을 고려한 단면보다 적게 굴착된 경우에는 실제적으로 미굴이 발생한 상태인데도 기존에는 이를 여굴로 평가하였다. 이 경우 후속발파를 위한 굴착단면을 확보하기 위해 굴착단면 외쪽에 추가로 발파공을 천공하여 단면을 확장하는 발파를 시공해야 하기 때문에 천공시간이 늘어나고 여굴이 더 크게 발생하여 경제적 손실을 야기 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 측정 대상 지역에 대한 범위 및 정확도를 결정한 후 현장답사를 통한 기준점의 수평 및 수직 위치를 결정한다. CMS V400을 통해 공동의 point-cloud를 획득하고 기준점의 측량 값을 입력한다. 각각의 point에 좌표값을 부여하면 굴진장 및 여굴량을 평가할 수 있는 3차원 모델을 만들 수 있다(그림 5).
- 갱도의 굴진장 평가를 위해 측정 지점을 일치시킨 후 각 굴진별 3차원 모델을 생성, 체적을 산출하였다(그림 6).
- 형성된 3차원 모델을 설계 단면과 계획된 천공장을 이용하여 절단한 후 체적을 계산하였다. 계산된 체적을 설계 단면으로 나눠 평균 굴진장을 산정하였고, 굴진율에 영향을 미치는 심발부분의 굴진장을 따로 측정하여 평균 굴진장과 비교하였다.
- 굴진장 측정은 전체 굴진장과 굴진율에 영향을 미치는 심발 부분을 나눠 5회 측정하였다(표 4). 굴진장 측정 결과 심발부 굴진장은 평균 2.
- 여굴량 측정은 생성된 굴착 2번 3차원 모델에서 1번 모델을 제거한다. 그 후 굴착 단면의 바닥 중심을 기준으로 가상의 설계 단면을 설정하고 천공장을 고려하여 look-out 단면(그림 10)과 설계 단면(그림 11)으로 나눠 여굴량을 평가하였다. 좌·우 측벽, 천정부로 나눠 여굴량을 평가하였다.
- 여굴 및 미굴량을 평가하는 방법은 3차원으로 모델링 된 모델의 단면을 잘라 CAD 파일로 변환시킨 후 설계 단면과 비교하는 방법이 가장 많이 사용되었다. 그러나 발파 굴착 시 다음 발파를 위해 굴착 단면을 확보할 필요가 있고, 이를 위해 look-out을 설계하여 최외각 발파공들을 바깥쪽으로 벌려 천공을 한다. 그래서 발파 굴착 시에는 look-out 때문에 항상 설계 단면보다 실제 단면이 더 크게 나타날 수밖에 없다.
- 따라서 그림 8~9와 같이 생성된 3차원 모델에 look-out을 고려하여 굴착 전·후 체적을 비교하였다.
- 산출된 3차원 모델을 기존의 발파 설계 단면을 기준으로 절단한 후 절단된 모델의 부피를 산출하고, 설계 단면으로 부피를 나눠 평균 굴진장을 측정하였다(그림 7). 또한, 굴진율에 영향을 미치는 심발부분을 나눠 굴진장을 측정하였다.
- 또한, 여굴량은 기존 설계 단면과 look-out line을 고려한 단면을 이용하여 굴착 전후의 체적을 비교하여 산정하였다.
- 그 후 굴착 단면 중심에 레이저 스캐너를 설치한다. 레이저 스캐너의 좌표 값을 획득하기 위해 스캐너에 설치된 두 곳의 타깃을 설치하고 토털스테이션을 이용하여 타깃에 대한 좌표 값을 얻었고 레이저 스캐닝을 통해 대상 굴착 단면에 대한 point-cloud를 획득하였다. 획득한 point-cloud에 좌표값을 입력한 후 주변 대상물이나 물에 의한 산란으로 왜곡된 점을 보정하고, 스캐닝 장비 한 바퀴별 poly-line을 생성한 후 폐합하여 3차원 모델을 형성하였다.
- 측정은 현재 발파 굴착이 진행 중인 굴진면을 대상으로 총 6회 실시하였다. 발파 전의 기준 막장면의 측정과 5회 발파에 대한 굴진장 및 여굴량을 평가하였다.
- 0m 이상의 장공 천공이 이루어지기 때문에 여굴량 기준에 대한 재고가 필요하다(이태노 외, 2002). 본 연구를 위한 현장은 지하공동에서 굴진장 3.0m 이상 굴진하고 있기 때문에 look-out을 여굴의 기준으로 평가하였다.
- 산출된 3차원 모델을 기존의 발파 설계 단면을 기준으로 절단한 후 절단된 모델의 부피를 산출하고, 설계 단면으로 부피를 나눠 평균 굴진장을 측정하였다(그림 7). 또한, 굴진율에 영향을 미치는 심발부분을 나눠 굴진장을 측정하였다.
- 획득된 point-cloud의 잡음을 보정하고 3차원 모델링 프로그램을 이용하여 모델링하였다. 이 후 기존의 굴진장 및 굴착면의 상태를 산정하는 방법과 비교 분석하였다.
- 본 연구에서는 3차원 레이저 스캐너를 이용하여 현재 채광 중인 광산을 대상으로 굴진장 및 굴착면의 상태를 측정하여 굴진장, 여굴 및 미굴을 효율적으로 산정 방법을 제시하고 그 규모에 대해 평가했다. 이를 위하여 3차원 레이저 스캐너로 3차원 공간좌표를 기록하는 point-cloud를 획득하였다. 획득된 point-cloud의 잡음을 보정하고 3차원 모델링 프로그램을 이용하여 모델링하였다.
- 좌·우 측벽, 천정부로 나눠 여굴량을 평가하였다.
- 총 5회의 굴진에 대하여 굴착량을 평가하였다(표 3). 굴착량 측정 결과 평균 176.
- 획득한 point-cloud에 좌표값을 입력한 후 주변 대상물이나 물에 의한 산란으로 왜곡된 점을 보정하고, 스캐닝 장비 한 바퀴별 poly-line을 생성한 후 폐합하여 3차원 모델을 형성하였다. 형성된 3차원 모델을 설계 단면과 계획된 천공장을 이용하여 절단한 후 체적을 계산하였다. 계산된 체적을 설계 단면으로 나눠 평균 굴진장을 산정하였고, 굴진율에 영향을 미치는 심발부분의 굴진장을 따로 측정하여 평균 굴진장과 비교하였다.
- 이를 위하여 3차원 레이저 스캐너로 3차원 공간좌표를 기록하는 point-cloud를 획득하였다. 획득된 point-cloud의 잡음을 보정하고 3차원 모델링 프로그램을 이용하여 모델링하였다. 이 후 기존의 굴진장 및 굴착면의 상태를 산정하는 방법과 비교 분석하였다.
- 레이저 스캐너의 좌표 값을 획득하기 위해 스캐너에 설치된 두 곳의 타깃을 설치하고 토털스테이션을 이용하여 타깃에 대한 좌표 값을 얻었고 레이저 스캐닝을 통해 대상 굴착 단면에 대한 point-cloud를 획득하였다. 획득한 point-cloud에 좌표값을 입력한 후 주변 대상물이나 물에 의한 산란으로 왜곡된 점을 보정하고, 스캐닝 장비 한 바퀴별 poly-line을 생성한 후 폐합하여 3차원 모델을 형성하였다. 형성된 3차원 모델을 설계 단면과 계획된 천공장을 이용하여 절단한 후 체적을 계산하였다.
대상 데이터
- 대상지역은 전라남도 장성군에 위치한 ○○광산으로서 현재 석회석을 채광하고 있다. 석회암대는 지역적으로 다소 차이는 있지만, 대체적인 부존 규모는 폭 100m, 연장 4km 내외이고, 석회암대 상부구간에는 20m 내외의 백운암대가 협재된 것이 특징이다.
- 기준점의 수평위치는 GPS와 토털스테이션을 이용하였고 수직 위치는 레벨을 사용하였다. 측정은 현재 발파 굴착이 진행 중인 굴진면을 대상으로 총 6회 실시하였다. 발파 전의 기준 막장면의 측정과 5회 발파에 대한 굴진장 및 여굴량을 평가하였다.
성능/효과
- 1) 3차원 모델을 이용한 굴착량 측정 결과 평균 176.6m3로 나타났으며 1~3차 굴착량이 165.5m3, 4~5차 굴착량이 193.2m3로 4~5차 굴착량이 1~3차에 비해 약 16% 증가하여 측정되었다.
- 2) 굴진장 측정 결과 심발부 굴진장은 평균 2.6m, 전체는 평균 2.4m로 나타났으며, 천공장 3.8m를 기준으로 굴진율은 평균 심발부 67%, 전체 64%로 평가되었다. 또한, 1~3차에 비해 4~5차의 굴진율이 높게 나타났는데 이는 암반물성이 규암질에서 석회질로 바뀌어 암반 강도에 의해 굴진율이 영향을 받았을 것으로 판단된다.
- 3) 설계 단면을 기준으로 여굴량을 측정한 결과 좌측벽 4.5m3, 우측벽 4.5m3, 천반 5.0m3, 총 14.0m3로 측정되었으며, look-out을 기준으로 여굴량을 측정한 결과 좌측벽 3.0m3, 우측벽 3.1m3, 천반 2.3m3, 총 8.4m3로 측정되었다. 평균 굴착량 대비 여굴량은 설계 단면 기준 약 8%, look-out 기준 약 5% 정도로 평가되었다.
- 굴진장 측정은 전체 굴진장과 굴진율에 영향을 미치는 심발 부분을 나눠 5회 측정하였다(표 4). 굴진장 측정 결과 심발부 굴진장은 평균 2.6m, 전체는 평균 2.4m로 나타났으며, 천공장 3.8m를 기준하여 굴진율은 평균 심발부 67%, 전체 64%로 평가되었다. 또한, 1~3차에 비해 4~5차의 굴진율이 높게 나타났는데 이는 암반물성이 규암질에서 석회질로 바뀌어 암반 강도에 의해 굴진율이 영향을 받았을 것으로 판단된다.
- 총 5회의 굴진에 대하여 굴착량을 평가하였다(표 3). 굴착량 측정 결과 평균 176.6m3으로 나타났으며 4~5차 굴착량이 193.2m3, 1~3차 굴착량이 165.5m3로 4~5차 굴착량이 1~3차에 비해 약 16% 증가하여 측정되었다.
- 발파굴착의 결과를 평가하는 데 있어 가장 핵심적인 사항은 굴진율, 소음･진동의 크기, 굴착면의 여굴 및 미굴 크기라 할 수 있다. 이러한 요소에 대해 국내외로 다양한 연구와 실험이 진행되어 왔다(김양균 외, 2003).
- 평균 굴착량 대비 여굴량은 설계 단면 기준 약 8%, look-out 기준 약 5% 정도로 평가되었다. 설계 단면 기준 여굴량과 look-out 기준 여굴량을 비교한 결과 설계 단면 기준 여굴량이 look-out 기준 여굴량에 비해 좌측벽 150%, 우측벽 147%, 천반 226%, 총 168%로 높게 평가되었다.
- 설계 단면을 기준으로 여굴량을 측정한 평균값은 좌측벽 4.5m3, 우측벽 4.5m3, 천반 5.0m3, 총 14.0m3로 측정되었으며, look-out을 기준으로 여굴량을 측정한 결과 좌측벽 3.0m3, 우측벽 3.1m3, 천반 2.3m3, 총 8.4m3로 측정되었다. 평균 굴착량 대비 여굴량은 설계 단면 기준 약 8%, look-out 기준 약 5% 정도로 평가되었다.
- 4m3로 측정되었다. 평균 굴착량 대비 여굴량은 설계 단면 기준 약 8%, look-out 기준 약 5% 정도로 평가되었다. 설계 단면 기준 여굴량과 look-out 기준 여굴량을 비교한 결과 설계 단면 기준 여굴량이 look-out 기준 여굴량에 비해 좌측벽 150%, 우측벽 147%, 천반 226%, 총 168%로 높게 평가되었다.
후속연구
- 이 경우 후속발파를 위한 굴착단면을 확보하기 위해 굴착단면 외쪽에 추가로 발파공을 천공하여 단면을 확장하는 발파를 시공해야 하기 때문에 천공시간이 늘어나고 여굴이 더 크게 발생하여 경제적 손실을 야기 시킬 수 있을 것으로 판단된다. 추후 기존의 굴진장 및 여굴량을 측정하는 방법과 비교하여 측정시간 및 정확도를 분석하여 효율성을 평가하고, 여굴과 미굴이 광산의 경제성과 단면형상의 유지를 통한 광산 자립도에 어떠한 관계를 미치는지에 대한 경제성 및 안정성 영향을 분석하는 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
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