본 연구는 미소진동 계측기술을 국내 광산의 안정성 분석에 적용한 사례연구로서, 계측자료의 분석을 통해 미소진동 기법의 광산 적용성과 한계성을 알아보았다. 적용 광산은 채수율 향상을 위해 주방식하이브리드 채광법이 적용된 석회석광산으로, 수평 단면 $50m{\times}50m$의 시험영역에 대해 각각의 수직 광주에 미소진동 센서를 설치하였다. 측정된 미소진동 신호는 발파와 천공작업으로 인한 신호, 손상에 의한 신호, 전기 잡음에 의한 신호로 구분되었으며, 손상에 의한 신호를 중심으로 안정성 분석을 실시하였다. 시험영역에 근접한 채굴부의 발파작업 후 광주의 손상이 증가하였으며, 주변에서 발생한 낙반을 미소진동 신호로부터 추정할 수 있었다. 또한 일일 미소진동 발생량의 변화로부터 광주와 채굴주변 암반의 안정성을 평가할 수 있었으며, 누적된 계측정보를 토대로 본 광산의 시험영역에 대한 안전관리 기준안을 제시하였다. 그러나 국부적인 센서 배열에 따라 3차원 음원위치를 산정하는 데 어려움이 존재하고, 실시간 계측을 위한 현실적인 대안의 필요성이 제기되었다. 향후 광산적용에서 제기된 문제점을 보완하고, 광산 현장작업과의 유기적인 비교, 분석을 통해 보다 좋은 안전감시의 지시자로서 미소진동 계측기술이 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구는 미소진동 계측기술을 국내 광산의 안정성 분석에 적용한 사례연구로서, 계측자료의 분석을 통해 미소진동 기법의 광산 적용성과 한계성을 알아보았다. 적용 광산은 채수율 향상을 위해 주방식하이브리드 채광법이 적용된 석회석광산으로, 수평 단면 $50m{\times}50m$의 시험영역에 대해 각각의 수직 광주에 미소진동 센서를 설치하였다. 측정된 미소진동 신호는 발파와 천공작업으로 인한 신호, 손상에 의한 신호, 전기 잡음에 의한 신호로 구분되었으며, 손상에 의한 신호를 중심으로 안정성 분석을 실시하였다. 시험영역에 근접한 채굴부의 발파작업 후 광주의 손상이 증가하였으며, 주변에서 발생한 낙반을 미소진동 신호로부터 추정할 수 있었다. 또한 일일 미소진동 발생량의 변화로부터 광주와 채굴주변 암반의 안정성을 평가할 수 있었으며, 누적된 계측정보를 토대로 본 광산의 시험영역에 대한 안전관리 기준안을 제시하였다. 그러나 국부적인 센서 배열에 따라 3차원 음원위치를 산정하는 데 어려움이 존재하고, 실시간 계측을 위한 현실적인 대안의 필요성이 제기되었다. 향후 광산적용에서 제기된 문제점을 보완하고, 광산 현장작업과의 유기적인 비교, 분석을 통해 보다 좋은 안전감시의 지시자로서 미소진동 계측기술이 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
This study deals with the case that was the field application of the microseismic monitoring techniques for the stability monitoring in a domestic mine. The usefulness and limitations of the microseismic techniques were examined through analyzing the microseismic monitored data. The target limestone...
This study deals with the case that was the field application of the microseismic monitoring techniques for the stability monitoring in a domestic mine. The usefulness and limitations of the microseismic techniques were examined through analyzing the microseismic monitored data. The target limestone mine adopted a hybrid room-and-pillar mining method to improve the extraction ratio. The accelerometers were installed in each vertical pillar within the test bed which has the horizontal cross-section $50m{\times}50m$. The measured signals were divided into 4 types; blasting induced signal, drilling induced signal, damage induced signal, and electric noise. The stability analysis was performed based on the measured damage induced signals. After the blasting in the mining section close to the test bed, the damage of the pillar was increased and rockfall near the test bed could be estimated from monitored microseismic data. It was possible to assess the pillar stability from the changes of daily monitored data and the proposed safety criteria from the accumulated monitored data. However, there was a difficulty to determine the 3D microseismic source positions due to the 2D local sensor arrays. Also, it was needed to use real-time monitoring methods in domestic mines. By complementing the problems encountered in the mine application and comparing microseismic monitored data with mining operations, the microseismic monitoring technique can be used as a better safety method.
This study deals with the case that was the field application of the microseismic monitoring techniques for the stability monitoring in a domestic mine. The usefulness and limitations of the microseismic techniques were examined through analyzing the microseismic monitored data. The target limestone mine adopted a hybrid room-and-pillar mining method to improve the extraction ratio. The accelerometers were installed in each vertical pillar within the test bed which has the horizontal cross-section $50m{\times}50m$. The measured signals were divided into 4 types; blasting induced signal, drilling induced signal, damage induced signal, and electric noise. The stability analysis was performed based on the measured damage induced signals. After the blasting in the mining section close to the test bed, the damage of the pillar was increased and rockfall near the test bed could be estimated from monitored microseismic data. It was possible to assess the pillar stability from the changes of daily monitored data and the proposed safety criteria from the accumulated monitored data. However, there was a difficulty to determine the 3D microseismic source positions due to the 2D local sensor arrays. Also, it was needed to use real-time monitoring methods in domestic mines. By complementing the problems encountered in the mine application and comparing microseismic monitored data with mining operations, the microseismic monitoring technique can be used as a better safety method.
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문제 정의
본 연구는 미소진동 계측기술을 국내 광산의 안정성분석에 적용한 사례로, 미소진동 계측자료를 분석하여 그 효용성을 제시하고자 한다. 적용 광산은 새롭게 도입된 주방식하이브리드 채광법(hybrid room-and-pillar mining method)이 적용된 석회석광산으로서, 광주(pillar)의 안정성이 특히 더 중요시 되어야 한다.
본 연구대상지역에서 사용된 주방식하이브리드 채광법은 광체의 상당 부분을 남겨 놓고 채굴하게 되는 종래의 채광법의 단점을 해결하여 채수율을 높이고자 제안되었다(Kim et al., 2015). 제안된 주방식하이브리드 채광법은 채굴 작업장과 광주의 안정성을 유지하면서 수평 광주(horizontal pillar)나 수직 광주(vertical pillar)의 일부를 안정성이 확보되는 범위 내에서 회수함으로써 광체의 채수율을 극대화할 수 있는 새로운 형태의 주방식 채광법이다.
적용 광산은 새롭게 도입된 주방식하이브리드 채광법(hybrid room-and-pillar mining method)이 적용된 석회석광산으로서, 광주(pillar)의 안정성이 특히 더 중요시 되어야 한다. 본 연구에서는 수 개월간 획득한 미소진동 계측으로부터 광주의 안정성을 평가하고, 미소진동 계측의 한계성을 보완하여 보다 효용성이 높은 계측기법이 되기 위한 방안을 제시하였다.
제안 방법
5 m의 위치의 벽면에서 광주방향으로 하향 45도로 하였으며, 약 40 mm 크기로 약 4m를 천공한 후 설치하였다. 22 mm 직경의 센서를 삽입한 후, 암반과의 일체화를 위해 하이드로스톤(미국 Gypsum 사)으로 불리는 석고를 이용하여 그라우팅을 실시하였다.
계측된 파형은 크게 발파와 천공작업에 의한 파형과 손상추정 파형, 그리고 전기 잡음에 의한 파형으로 크게 4가지로 구분되었다(Fig. 8). 파형의 구분은 현장에서 측정된 파형과 광산작업 상황과의 비교검토를 통해 이루어졌다.
계측시스템은 실시간 계측을 기본으로 제공하지만, 이를 위해서는 통신망이 지하와 지상 사이에 구축되어 있어야 한다. 그러나 본 적용대상광산의 복잡한 구조와 안정성 평가의 보조적 수단으로 미소진동 계측시스템 적용하였기에, 본 연구에서는 실시간 계측 대신 주기적인 자료 획득방식을 사용하였다. 이러한 문제는 향후 해결되어야 할 중요과제로 생각된다.
채굴에 앞서 신규 채광법 적용 구역을 중심으로 좌우 및 하부 300 m 영역에 대한 3차원 수치해석을 통해 채굴적의 안정성 평가를 실시한 결과, 전반적으로 안정할 것으로 평가되었다. 그러나 암반상태가 불량한 경우나 발파에 의한 손상대에 의해 낙반이 예측되어 안정성을 평가하고자 미소진동 계측방법을 적용하였다.
7는 설치된 미소진동 계측시스템과 센서들의 모습을 보여준다. 낙석으로부터 시스템의 보호를 위해 철로 만든 보호망을 설치하였다.
본 보고에서는 초기 높은 배경잡음에서 계측된 시기(계측시기-1)와 이후 잡음을 낮춘 계측시기(계측시기-2)로 나뉘었다. 계측시기-1에서는 높은 검출한계인 200mV로 설정하여 측정된 자료에 대한 결과를 제시하였다.
센서를 설치하기 전 미소진동 계측시스템과 연결을 통해 센서의 작동이상 유무를 확인하고, 센서 설치 후 하이드로스톤이 고결된 하루 후에 센서의 작동이상 유무를 확인하였다. 센서 작동이상 유무는 센서의 바이어스 전압과 저항값을 확인하고, 센서와 계측시스템 그리고 주변의 전기 장치들에 의한 배경잡음수준의 확인 등이 포함된다.
광주의 안정성을 알아보기 위하여 일축 가속도센서(캐나다 ESG 사)를 중앙 채굴부의 수직 광주에 각각 한 개씩 설치하였다. 수평 단면도의 시험영역은 가로, 세로 각 50 m의 너비를 가지며 센서 설치위치는 시험영역의 안쪽에 위치하도록 하였다(Fig. 6). 설치방향은 중앙 채굴부 바닥에서 1.
이와 같은 수치는 약 한 달 정도 계측한 후 제시한 평균값이었으나 이후 추가된 한 달 가량의 결과를 누적하여도 큰 차이가 발생하지 않았다. 이로부터 제안된 1차 관리기준은 일일 발생량 1800건, 주간 발생량, 1000건, 야간 발생량은 800건이었으며, 2차 관리기준은 1차 관리기준의 2배를 제안하였다.
이러한 현상의 주된 원인은 변압기의 접지문제와 광산 작업 중 사용되는 장비에 의한 일시적인 전압상승에 기인한 것으로 파악되었다. 이를 처리하기 위해 접지기능이 있는 변압기와 무정전전압장치(UPS), 잡음제거기능을 강화시킨 시그널컨디셔너를 사용하여 초기 배경잡음수준의 약 1/10으로 낮췄다.
그러나 새롭게 적용된 신규 채광법에 따라 상부 채굴부와 하부 채굴부에서의 발파 작업 및 채굴이 수행되고 있으며, 이들이 중앙 채굴부에 근접함에 따라 광주의 안정성에 미치는 영향이 더욱 커질 것으로 예상된다. 이에 일일 발생량과 발파, 천공작업을 분석하여 영향정도를 검토하였다. Fig.
계측시기-2는 낮은 검출한계인 30 mV로 설정하여 측정된 자료의 결과를 제시하였다. 채굴작업 등의 일련의 작업에 설치된 센서와 매우 근접한 지역에서 발생한 시기였으며, 현장의 요청에 따라 주간과 야간으로 시간대를 구별하여 결과검토가 이루어졌다.
8). 파형의 구분은 현장에서 측정된 파형과 광산작업 상황과의 비교검토를 통해 이루어졌다. 또한 기존에 보고된 미소진동 파형을 참고하였다(Hong et al.
대상 데이터
광주의 안정성을 알아보기 위하여 일축 가속도센서(캐나다 ESG 사)를 중앙 채굴부의 수직 광주에 각각 한 개씩 설치하였다. 수평 단면도의 시험영역은 가로, 세로 각 50 m의 너비를 가지며 센서 설치위치는 시험영역의 안쪽에 위치하도록 하였다(Fig.
대상 광산은 강원도 삼척시에 위치한 대성MDI 동해 석회석광산으로서, 대평지구 540갱(540 ML)을 중심으로 연구지역을 선정하였다. 대상 광산은 1993년 노천채광방식에서 갱내 채광방식인 주방식 채광법으로 전환하였다(Park et al.
연구대상지역에서는 채수율 목표 70%를 달성하기 위해 540갱을 중심으로 수평단면 50 m × 50 m의 시험영역(test bed)을 형성하고, 새롭게 제안된 주방식하이브리드 채광법을 사용하고 있다.
데이터처리
자료의 획득과 기본 분석은 AEMS solution Ver. 3프로그램을 이용하였으며, 고급 분석이 필요한 경우 3D analyzer 프로그램을 이용하였다. Fig.
이론/모형
파형의 구분은 현장에서 측정된 파형과 광산작업 상황과의 비교검토를 통해 이루어졌다. 또한 기존에 보고된 미소진동 파형을 참고하였다(Hong et al., 2006, Cheon et al., 2014b). 발파작업에 의한 파형은 수백 Hz의 주기를 가지면서 1초 이상 기록되는 특징이 있다.
본 연구에 사용된 미소진동 계측시스템은 한국지질자원연구원에서 개발한 시스템을 사용하였다(Cheon et al., 2014a). 이 시스템은 2006년에 국내 기술로 개발된 이후 사면, 유류비축기지, 터널 등의 적용을 통해 적용성이 검증되었으며, 현장자료의 누적과 함께 장비의 성능향상이 지속적으로 이루어지고 있다.
신규 채광법의 적용에 따른 광주의 안정성을 평가하기 위해 미소진동을 이용한 안정성 계측방법을 적용하였다. 미소진동은 응력의 재분배에 의해 균열이 생성될 때 나오는 순간적 에너지 방출과 동반되는 탄성파로서, 암반공학적 관점에서 수십 Hz에서 수천 Hz의 범위에 해당한다.
성능/효과
1. 채굴작업에 따른 신호(발파, 천공)와 손상관련 신호의 구별이 가능하였다. 그러나 현장 여건(접지상태,광산장비 사용에 따른 일시적 전압상승 등)에 따라 전기잡음이 발생할 수 있으므로 전기 품질유지 등의 대책 수립과 전기잡음에 대한 구분 작업이 필요하다.
2. 발파 후 광주 및 채굴주변에 손상이 발생할 수 있으며, 발파 후 미소진동의 지속적인 발생은 낙반 등 안전사고의 지시자가 될 수 있다.
3. 작업이 이루어지는 주간과 작업 휴지기간에 따른 시간대별 미소진동 계측자료의 제공은 미소진동 계측의 안전감시 효율성을 증대시킬 수 있다.
4. 지속적 자료 축적과 현장 작업상황과의 상호 비교를 통해 안전관리 기준의 신뢰도를 향상할 수 있다.
계측시기-1에서의 일일 발생량은 평균 16건, 표준편차 9건이었으며, 이중 야간 발생량은 평균 8건, 표준편차는 5건으로 그 발생량이 매우 미약하였다. 그러나 천공작업이 주변에서 수행된 경우 미소진동 발생량이 많았기 때문에 일률적으로 안전관리 기준을 제시하기에 미흡하였다.
근접지역에서의 발파작업 후 이틀이나 삼일이 경과한 다음 평균발생량 이전으로 회복됨을 보이고 있다. 따라서 발파작업 후 작업장의 안전에 보다 신경을 써야 하며, 2~3일 경과 후에도 미소진동의 발생량이 줄어들지 않는 경우, 현장상태를 확인한 후 작업을 진행할 필요가 있는 것으로 사료되었다. 또한 근접지역에서 천공작업이 수행되는 경우 미소진동 발생량이 6000건에서 7000건사이로 추가적으로 발생한다.
16의 화살표)이 수행된 대부분의 경우에는 미소진동의 일일 평균발생량인 840건을 상회하며, 1800건이 계측되기도 하였다. 또한 9월 3일과 7일의 약 150 m에서 200 m 이격된 지점에서 수행된 발파작업이 시험영역에 미치는 영향은 다소 미미함을 알 수 있었다. 근접지역에서의 발파작업 후 이틀이나 삼일이 경과한 다음 평균발생량 이전으로 회복됨을 보이고 있다.
미소진동 계측시스템을 광산에 처음 설치했을 때, 현장에서의 배경잡음수준은 실내에서 사전 실험결과보다 50배 이상 높았으며, 다른 터널 등의 지하구조물 적용사례보다도 최소 10배 이상 높은 수준을 보였다. 또한 예기치 않은 전기적 잡음이 종종 계측되었다.
채굴에 앞서 신규 채광법 적용 구역을 중심으로 좌우 및 하부 300 m 영역에 대한 3차원 수치해석을 통해 채굴적의 안정성 평가를 실시한 결과, 전반적으로 안정할 것으로 평가되었다. 그러나 암반상태가 불량한 경우나 발파에 의한 손상대에 의해 낙반이 예측되어 안정성을 평가하고자 미소진동 계측방법을 적용하였다.
후속연구
또한 에너지가 큰 미소 진동의 발생 역시 이상거동을 보여주는 지시자이기 때문에 전체적인 미소진동 발생량이 적더라도 큰 미소진동이 발생한 경우에는 주의를 기울여야 한다. 결론적으로, 주변 작업환경, 가령 발파작업 후 또는 주요 변화 등과 비교하면서 미소진동 발생경향, 위치와 시간 등을 고려하면 보다 좋은 안전감시의 지시자로서 활용될 수 있을 것이다. 아래는 미소진동 계측기술의 국내 광산적용에 따른 효용성과 한계성을 제시한 것이다.
또한 근접지역에서 천공작업이 수행되는 경우 미소진동 발생량이 6000건에서 7000건사이로 추가적으로 발생한다. 따라서 제안된 안전관리 기준을 상회하더라도 4.2절에서와 같이 일일발생경향이나 현장작업 상황과의 비교를 통해 안전관리를 진행해야 할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
일반적으로 대규모의 지반 또는 암반구조물을 건설 시 어떤 과정을 거쳐 시공을 진행하는가?
일반적으로 대규모의 지반 또는 암반구조물을 건설하는 경우, 계측을 통해 구조물의 안정성을 평가하면서 시공을 진행한다. 그러나 국내 광산의 경우 경제성이나 작업의 편리성 등의 이유로 상대적으로 채광 중에 계측을 수행하는 경우가 드물며, 대신 경험적인 방법을 사용하여 안전관리를 수행하고 있다.
국내 광산의 경우 채광 중 계측을 수행하는 경우가 드문 이유는 무엇인가?
일반적으로 대규모의 지반 또는 암반구조물을 건설하는 경우, 계측을 통해 구조물의 안정성을 평가하면서 시공을 진행한다. 그러나 국내 광산의 경우 경제성이나 작업의 편리성 등의 이유로 상대적으로 채광 중에 계측을 수행하는 경우가 드물며, 대신 경험적인 방법을 사용하여 안전관리를 수행하고 있다. 간혹 수행되는 계측은 다른 암반구조물과 같이 주로 변위계를 중심으로 한 방법이 사용되어 왔다.
변위계를 중심으로 한 방법을 이용한 계측의 장점과 한계점은 무엇인가?
간혹 수행되는 계측은 다른 암반구조물과 같이 주로 변위계를 중심으로 한 방법이 사용되어 왔다. 변위 계측 등의 종래 방법은 정량적인 변형을 제시하는 장점이 있으나 변형이 적게 발생하는 암반구조물에 대한 파괴의 사전예측이나 낙석과 같은 국부적인 파괴를 예측하는 데는 한계성이 있다(Cheon et al., 2014a).
참고문헌 (7)
Cheon, D.S., Jung, Y.B. and Park, E.S., 2014a, Development of acoustic emission monitoring system for the safety of geotehcnical structures, J. of Korean Tunnelling & Underground Space Association., Vol. 16, 471-485.
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Cheon, D.S., Jung, Y.B., Park, E.S., Synn, J.H. and Park, C.W., 2014b, Application of MS technique to the domestic tunnel site, General assembly and annual conference of Korea Tunnelling and underground space association., Seoul, 65-66.
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Hong, J.S., Lee, H.S., Lee, D.H., Kim, H.Y., Choi, Y.T. and Park, Y.J., 2006, Microseismic event monitoring of highly stressed rock mass around underground oil storage caverns, Tunnelling & Underground Space Technology, No. 214.
Kim, Y.B., Chung, S.K., Jo, S.H., Kim, C.O. and Um, W.W., Hybrid room-and-pillar mining method, Patent No. 1015657890000, 2015.10
Park, B, Park, S., Choi, Y. and Park, H.S., 2015, Calculation of a diesel vehicle's carbon dioxide emission during haulage operations in an underground mine using GIS, Tunnel & underground space, Vol 25, 373-382.
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