[논문]석회석 광산 지역의 지반침하 원인 규명을 위한 현장조사와 지반 안정성 분석 사례

이승중; 김병렬; 최성웅; 오석훈

doi:10.7474/tus.2015.25.4.332

문제 정의

본 연구에서는 석회석 광산지역의 침하원인 규명을 위해 암반의 공학적 특성조사와 전기비저항 탐사를 수행하였으며, 이를 바탕으로 지반안정성 분석을 수행하였다. 본 연구의 결과를 종합하여 정리하면 다음과 같다.
본 연구에서는 이러한 물리탐사 기법의 이점을 이용하여 채굴적 상부 및 광산 인근 지역에서 발생된 침하지를 중심으로 용식공동의 존재 유무를 파악하기 위해 전기비저항 탐사를 수행하였다.
침하발생 당시 정밀 조사가 수행되지 않아 정확한 침하규모에 대한 기록이 남아 있지 않지만, 당시 촬영된 현장사진과 탐문조사 결과, 침하지 9개소에서 발생된 침하규모는 반경 약 2～5 m, 깊이 약 1～3 m 정도인 것으로 조사되었다. 본 연구에서는 침하가 발생된 위치를 중심으로 전기비저항 탐사를 실시하였으며, 침하지 하부의 암반평가를 위해 갱내 조사를 수행하였다.
지반침하 안정성 분석을 위해서는 석회암 내부에 발달하는 공동의 분포 및 그에 수반되는 연약대의 분포 형태를 정확히 파악해야 한다. 이에 대한 정보를 획득하기 위하여 본 연구에서는 전기비저항 탐사를 수행하여 조사지역의 지반 상태를 파악하였다. 또한, 안정성 평가를 위해 암반의 공학적 특성을 조사하였고, 침하원인 규명을 위한 전산해석을 수행하였다.

가설 설정

갱내 현장조사 결과, 채굴적이 존재하는 석회암층은 RMR-II 등급에 해당하는 암반이다. 석회암층과 표토사이에 존재하는 암반은 전기비저항 탐사결과로부터 확인할 수 있듯이 비교적 천부에 위치하고 있기 때문에, 석회암층보다 풍화를 많이 받았을 것으로 추정하여 RMR-III 등급의 암반으로 가정하였다.
(1983)가 제안한 식으로 보정하여 입력물성을 결정하였다. 석회암층의 상부 암반 즉, 풍화된 석회암층의 입력물성은 과거 수행된 시추자료가 현재 남아있지 않기 때문에, 시추코어에 대한 시험이 불가하여 앞서 언급한 바와 같이 RMR-III 등급의 암반으로 가정하였으며, RMR-III 등급의 평균값과 Kim et al.(1993)가 제안한 RMR 경험식을 이용하여 입력물성을 산정하였다(Table 3과 4).
일반적으로 석회암지대에서 용식공동 내에 점토질이나 지하수가 충전되어 있을 경우 저비저항의 특성을 나타내지만, 전산해석 상에서는 이를 실제와 동일하게 구현하기 어렵기 때문에 저비저항대를 공동 형태로 가정하여 해석을 수행하였다.

제안 방법

1. 조사지역의 암반의 공학적 특성을 파악하기 위해 RMR 암반분류법에 의한 암반평가와 절리군의 분포 특성을 조사하였다. 갱내 보안광주에 대한 암반평가 결과, RMR 분류평점은 총 64점으로 RMR-II 등급에 해당하는 “우수” 한 암반으로 평가되었다.
2. 지표 인근에 존재하는 용식공동과 같은 연약대를 파악하기 위해 침하지를 중심으로 전기비저항 탐사를 수행하였다. 총 9개의 조사측선을 설정하여 탐사를 수행한 결과, 연약대로 추정되는 저비저항대는 지표 하부 10 m 부근에서 관찰되었으며, 광체의 주향방향 즉, NE 방향으로 연장되는 특성을 나타냈다.
3. 조사측선 중 저비저항대의 분포가 뚜렷한 7번 측선은 과거 지반침하가 발생된 지역이며, 지표 하부 60m 부근에서 채광작업이 이루어지고 있기 때문에 지반안정성 분석이 필요하다고 판단되어 전산해석 단면으로 선정하였다. 전산해석 결과, 용식공동 상부 지표면에 최대 약 2 m 정도의 침하가 발생한 반면, 채굴적 주변 암반에서는 소규모 변위 발생과 채굴적 주변에 응력아치가 형성되어 지반이 안정화되었다.
침하지 중 대부분은 침하발생 당시 되메움 작업으로 복구가 완료되었으나, 지표 하부 즉 채굴적 방향으로 용식공동의 연장 가능성을 살펴보기 위해 침하지 중심으로 조사측선을 설정하였다. Fig. 3에 도시된 바와 같이 채굴적 상부의 침하지 인근에 5 개의 조사측선(line 3～line7)과 굴착 진행 방향에서 발생된 침하지 인근에 2 개의 조사측선(line 1～line2)을 설정하였다. 자료 취득 시 전극배열은 쌍극자 배열(dipole-dipole array)을 적용하였고, 전극 간격은 각 조사측선 상의 지형적 특성을 고려하여 4 m, 5 m, 10 m로 전극을 설치하였으며, 최대 심도 약 50 m 까지 전기비저항 자료를 취득하였다.
이에 대한 정보를 획득하기 위하여 본 연구에서는 전기비저항 탐사를 수행하여 조사지역의 지반 상태를 파악하였다. 또한, 안정성 평가를 위해 암반의 공학적 특성을 조사하였고, 침하원인 규명을 위한 전산해석을 수행하였다.
본 광산지역에 분포하는 주절리군은 70° 정도의 급경사를 갖고 있기 때문에, 현장 절리군의 특성을 충분히 반영할 수 있는 Itasca사의 UDEC 2D(Universal Distinct Element Code 2D)을 해석 프로그램으로 선정하였다.
3에 도시된 바와 같이 채굴적 상부의 침하지 인근에 5 개의 조사측선(line 3～line7)과 굴착 진행 방향에서 발생된 침하지 인근에 2 개의 조사측선(line 1～line2)을 설정하였다. 자료 취득 시 전극배열은 쌍극자 배열(dipole-dipole array)을 적용하였고, 전극 간격은 각 조사측선 상의 지형적 특성을 고려하여 4 m, 5 m, 10 m로 전극을 설치하였으며, 최대 심도 약 50 m 까지 전기비저항 자료를 취득하였다. 취득된 자료는 한국지질자원연구원에서 개발한 DIPROfWin 소프트웨어를 이용하였으며, 역해석 과정을 거쳐 2차원 전기비저항 영상을 도출하였다(Fig.
전산해석을 위해 지형도와 갱내도를 이용하여 조사측선 7번에 해당하는 단면을 생성하였으며, 전기비저항 탐사결과로부터 해석단면의 지층을 Fig. 6과 같이 석회암층, 풍화된 석회암층, 표토층으로 구분하였다.
지반침하의 원인 규명을 위하여 해석모델에서 채굴적과 용식동굴을 굴착한 이후의 지반거동을 분석하였다. 변위 벡터 분석결과, 용식공동 상부 지표면에서는 최대 약 2 m 정도의 변위가 발생한 반면, 용식공동 직하부 채굴적의 천반에서는 약 0.
자료 취득 시 전극배열은 쌍극자 배열(dipole-dipole array)을 적용하였고, 전극 간격은 각 조사측선 상의 지형적 특성을 고려하여 4 m, 5 m, 10 m로 전극을 설치하였으며, 최대 심도 약 50 m 까지 전기비저항 자료를 취득하였다. 취득된 자료는 한국지질자원연구원에서 개발한 DIPROfWin 소프트웨어를 이용하였으며, 역해석 과정을 거쳐 2차원 전기비저항 영상을 도출하였다(Fig. 4).
침하지 중 대부분은 침하발생 당시 되메움 작업으로 복구가 완료되었으나, 지표 하부 즉 채굴적 방향으로 용식공동의 연장 가능성을 살펴보기 위해 침하지 중심으로 조사측선을 설정하였다. Fig.

대상 데이터

국내에서 고품질의 석회석 광상은 강원도 중부와 남부 및 충청북도 북부지역에 집중적으로 분포한다. 본 연구의 조사 대상 광산은 충청북도 청원군에 위치한 석회석 광산으로서, 2005년도 노천채광에서 갱내채광으로 전환하여 현재까지 지속적인 채광작업이 이루어지고 있는 가행광산이다.
조사 대상 광산은 충청북도 청원군에 위치한 ◌◌광산으로서 백시멘트 용도의 고품위 석회석을 대상으로 노천채광을 시행하다가 2005년 갱내채광으로 전환하여 주방식 채광법으로 채광작업이 이루어지고 있는 가행광산이다. 본 광산은 가공공장의 원광석 수요에 따라 연간 약 150,000 ton의 광물을 생산하고 있다.

이론/모형

석회암층의 입력물성 산정을 위해 갱내에서 채취한 암석시료를 대상으로 실내시험을 수행하였으며, 암반의 입력물성은 일축압축시험과 삼축압축시험의 결과값을 적용하였고, 절리의 입력물성은 절리면 전단시험으로부터 산정된 결과와 Bandis et al.(1983)가 제안한 식으로 보정하여 입력물성을 결정하였다. 석회암층의 상부 암반 즉, 풍화된 석회암층의 입력물성은 과거 수행된 시추자료가 현재 남아있지 않기 때문에, 시추코어에 대한 시험이 불가하여 앞서 언급한 바와 같이 RMR-III 등급의 암반으로 가정하였으며, RMR-III 등급의 평균값과 Kim et al.
석회암층의 상부 암반 즉, 풍화된 석회암층의 입력물성은 과거 수행된 시추자료가 현재 남아있지 않기 때문에, 시추코어에 대한 시험이 불가하여 앞서 언급한 바와 같이 RMR-III 등급의 암반으로 가정하였으며, RMR-III 등급의 평균값과 Kim et al.(1993)가 제안한 RMR 경험식을 이용하여 입력물성을 산정하였다(Table 3과 4).
암반을 평가하기 위해 RMR 분류법을 이용하였으며, 각 평가항목을 기준으로 현장조사를 수행하였다. 평가항목별 측정치와 평점은 Table 2와 같으며, 총점은 64점으로 RMR 분류등급 중 II 등급에 해당한다.

성능/효과

4. 이상의 연구결과로부터, 본 광산지역에서 발생되고 있는 지반침하는 용식공동에 의한 것으로 추정되며, 용식공동의 붕괴를 촉진시키는 요인 즉, 집중호우와 같은 자연적인 요인과 광산개발에 따른 지하수위 변화로 인해 지하수의 유동 및 용식작용이 활발해져 지반침하가 발생된 것으로 판단된다.
갱내 보안광주에 대한 암반평가 결과, RMR 분류평점은 총 64점으로 RMR-II 등급에 해당하는 “우수” 한 암반으로 평가되었다.
갱내도 분석결과, 1편의 채굴적은 약 17 m의 폭과 약 6 m의 높이로 채광되었고, 2편의 채굴적은 약 13～20m의 폭과 8 m의 높이로 채광되었으며, 이를 해석단면에 직접적으로 표현하였다. 또한 전기비저항 탐사결과부터 지표 하부 10 m에 존재할 것으로 추정하고 있는 용식공동은 직경 10 m의 규모로 표현하였다.
9로 확인할 수 있듯이 용식동굴 천반에서 붕괴가 시작되어 토사층의 인장균열과 소성항복이 발생하면서 공동 내부로 침하가 발생되었다. 또한 토사층의 붕괴로 인해 용식공동을 기준으로 좌측 40 m 지표면 부근에서 인장파괴가 발생한 것으로 확인되었다. 이는 수치해석상에서 토사층은 지층이 모두 연결된 단일 지층으로 표현되었기 때문에, 용식동굴의 함몰과 함께 좌측 40 m 부근에 인장파괴가 발생된 것으로 분석되었지만, 일반적으로 침하지역에서는 지표함몰로 인한 지반 이완현상으로 함몰지의 지표 인근에 인장균열이 발생되기도 한다.
또한 해당 지역에서는 약 70° 정도의 급경사를 갖는 2개 조의 절리군이 조사되었으며, 두 절리군의 경사방향은 259°와 82°로서 약 180° 정도의 위상차를 갖는 것으로 나타났다.
이는 조사측선 2번과 7번의 저비저항대의 분포 양상과 부합하는 결과로서, 두 측선 하부에 용식공동이 존재할 가능성이 농후하다. 또한, 지질도 확인 결과, 조사지역의 광체의 주향 방향은 NE 방향으로서, 침하지의 분포 양상과 저비저항대의 연장 방향이 광체의 주향 방향과 평행하게 나타나는 것으로 확인되었다.
지반침하의 원인 규명을 위하여 해석모델에서 채굴적과 용식동굴을 굴착한 이후의 지반거동을 분석하였다. 변위 벡터 분석결과, 용식공동 상부 지표면에서는 최대 약 2 m 정도의 변위가 발생한 반면, 용식공동 직하부 채굴적의 천반에서는 약 0.8 cm 의 소규모 변위가 발생하였다(Fig. 7). 채굴적 천반에서 발생한 변위는 일반적으로 터널굴착 이후 발생할 수 있는 수준이기 때문에, 지표침하에 의한 영향으로 볼 수 없다.
따라서 본 지역의 지반 안정성을 확보하기 위해서는 저비저항대 구간에 대한 정밀조사와 그에 따른 지반보강 대책이 필요할 것으로 판단된다. 이상의 해석결과를 종합해보면, 본 지역에서 과거 발생되었던 지반침하는 채굴적의 붕괴보다는 용식동굴의 붕괴가 직접적인 원인이었을 것으로 추정된다.
조사측선 중 저비저항대의 분포가 뚜렷한 7번 측선은 과거 지반침하가 발생된 지역이며, 지표 하부 60m 부근에서 채광작업이 이루어지고 있기 때문에 지반안정성 분석이 필요하다고 판단되어 전산해석 단면으로 선정하였다. 전산해석 결과, 용식공동 상부 지표면에 최대 약 2 m 정도의 침하가 발생한 반면, 채굴적 주변 암반에서는 소규모 변위 발생과 채굴적 주변에 응력아치가 형성되어 지반이 안정화되었다. 이로 미루어 볼 때, 과거 발생된 지반침하는 채굴적의 붕괴에 의한 침하보다는 지표 하부에 존재하는 용식동굴의 붕괴에 의해 침하가 발생된 것으로 판단된다.
절리군 조사 결과, 두 개조의 주절리군의 경사방향은 서로 180° 정도의 위상차를 갖고 있으며, 경사각은 약 70°로 거의 동일한 것으로 나타났다(Table 1 및 Fig. 2).
지표 인근에 존재하는 용식공동과 같은 연약대를 파악하기 위해 침하지를 중심으로 전기비저항 탐사를 수행하였다. 총 9개의 조사측선을 설정하여 탐사를 수행한 결과, 연약대로 추정되는 저비저항대는 지표 하부 10 m 부근에서 관찰되었으며, 광체의 주향방향 즉, NE 방향으로 연장되는 특성을 나타냈다. 또한, 조사측선 2번과 7번에서는 저비저항대가 심부로 연장되는 특성을 보였다.

후속연구

본 해석에서는 앞서 언급한 바와 같이 전산해석의 특성상 저비저항대를 용식동굴로 표현하였지만, 실제로 지하수나 점토로 충전되어 있을 가능성이 높기 때문에 향후 지하수위 변화나 외부적인 요인에 의해 지지력이 상실된다면, 본 해석결과와 같이 지반침하가 재발할 가능성이 높으며, 이로 인해 인장균열에 의한 취약대가 함몰지 인근에 형성될 수도 있다. 따라서 본 지역의 지반 안정성을 확보하기 위해서는 저비저항대 구간에 대한 정밀조사와 그에 따른 지반보강 대책이 필요할 것으로 판단된다. 이상의 해석결과를 종합해보면, 본 지역에서 과거 발생되었던 지반침하는 채굴적의 붕괴보다는 용식동굴의 붕괴가 직접적인 원인이었을 것으로 추정된다.
본 광산지역과 같은 석회암 지대의 지반침하를 방지하기 위해서는 지표 인근에 발달되어 있는 용식동굴과 이를 통해 유동하는 지하수의 유동 경로를 파악하여 이에 대한 보강대책을 마련해야 할 것이다. 또한 계절에 따른 지하수 수위 변화를 파악하고 시추조사 등 정밀조사를 통해 지반안정화 대책을 수립해야 할 것이다.
본 광산지역과 같은 석회암 지대의 지반침하를 방지하기 위해서는 지표 인근에 발달되어 있는 용식동굴과 이를 통해 유동하는 지하수의 유동 경로를 파악하여 이에 대한 보강대책을 마련해야 할 것이다. 또한 계절에 따른 지하수 수위 변화를 파악하고 시추조사 등 정밀조사를 통해 지반안정화 대책을 수립해야 할 것이다.
본 해석에서는 앞서 언급한 바와 같이 전산해석의 특성상 저비저항대를 용식동굴로 표현하였지만, 실제로 지하수나 점토로 충전되어 있을 가능성이 높기 때문에 향후 지하수위 변화나 외부적인 요인에 의해 지지력이 상실된다면, 본 해석결과와 같이 지반침하가 재발할 가능성이 높으며, 이로 인해 인장균열에 의한 취약대가 함몰지 인근에 형성될 수도 있다. 따라서 본 지역의 지반 안정성을 확보하기 위해서는 저비저항대 구간에 대한 정밀조사와 그에 따른 지반보강 대책이 필요할 것으로 판단된다.
또한, 이 구역의 지표 하부 60 m 부근에서 채광 작업이 이루어지고 있기 때문에, 침하의 원인이 채굴적에 의한 것인지 또는 지표 부근에 존재하는 용식동굴에 국한된 것인지 명확히 규명할 필요가 있다. 향후 지하 수위 강하 또는 집중호우 등의 요인으로 지하수 유동채널의 변화 및 용식공동의 확장이 발생된다면, 지반침하가 재발할 가능성이 높기 때문에 이 구역에 대한 지반 안정성 분석이 필요하다고 판단하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내에서 발생한 지반침하는 대부분 어느지역에서 발생되었는가?	국내에서 지금까지 발생한 지반침하의 대부분은 석탄을 채굴하던 폐광지역에서 발생되었으며 이에 대한 정밀조사와 대책수립 등 지속적인 광해복구사업이 진행되고 있다(Kim et al., 2004, Choi et al.
	석회암지대에서 발생되는 지반침하의 심각성이 작게 인식된 이유는?	, 2013). 이에 비하여 석회암지대에서 발생되는 지반침하는 그 사례가 적고, 탄광지역에서 발생한 침하보다 규모가 작기 때문에 상대적으로 그 심각성이 작게 인식되어 왔다. 그러나 근래에 들어 용식공동에 의한 지반침하가 새로운 사회 문제로 부각되고 있으며, 이에 대한 체계적인 조사기법의 개발 및 대책수립 등 지속적인 연구가 수행되고 있다(Sunwoo et al.
	석회암 분포지역내의 용식 작용에 의해 형성된 지형은 어떤 재해를 유발하는가?	석회암 분포지역 내에는 다른 종류의 암석과는 달리 용식 작용에 의해 형성된 지하 공동(limestone cave)이나 함몰지(doline) 등의 다양한 지형적인 특성과 차별 풍화에 의한 불규칙한 기반암선 등이 발달하고 있다. 이러한 용식 지형은 도로, 주택 등 상부 구조물의 손상과 지하수원의 오염 및 고갈 등의 각종 재해를 유발시키는 직접적인 원인으로 작용한다(Wilson and Beck, 1988, Goodman, 1993, Beck, 1996, Waltman and Fookes, 2003).

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