본 연구에서는 ${\bigcirc}{\bigcirc}$광산의 지반 안정성 평가를 위한 수치해석적 연구를 수행하였으며 해석에 고려된 침하의 인자들은 다음과 같다. 첫 번째로 손상대에 의한 암반의 물성 열화, 두 번째로 현장계측자료에 의한 국내 평균 측압계수 적용, 세 번째는 해당 광산의 실제 채광이력 조사, 네 번째는 채광 후 채굴적 주변 암반의 붕락을 가정하여 붕락된 암반을 추가로 굴착하는 해석기법이다. ${\bigcirc}{\bigcirc}$광산에서 실제 침하가 발생한 단면(5+10)을 대상으로 이 기법들을 적용하고 그 적용성을 확인하였으며, 침하가 발생하지 않았으나 침하가 우려되는 단면(3+10)을 대상으로 이 기법들을 또한 적용하고 지반 안정성을 평가하였다. 5+10 단면에서 추가 붕락을 통해 지표 최대변위가 41 mm 증가하여 46 mm가 나타났으며 추가 붕락에 따라 최대변위 위치가 실제 침하범위로 변화하는 양상을 확인하였다. 3+10 단면의 해석결과는 추가 붕락으로 5 mm 증가하여 7 mm의 지표 최대 변위가 발생하고 파괴영역이 채굴적 천단부에서 지표로 이어지지 않아 침하 가능성이 낮게 판단되었다.
본 연구에서는 ${\bigcirc}{\bigcirc}$광산의 지반 안정성 평가를 위한 수치해석적 연구를 수행하였으며 해석에 고려된 침하의 인자들은 다음과 같다. 첫 번째로 손상대에 의한 암반의 물성 열화, 두 번째로 현장계측자료에 의한 국내 평균 측압계수 적용, 세 번째는 해당 광산의 실제 채광이력 조사, 네 번째는 채광 후 채굴적 주변 암반의 붕락을 가정하여 붕락된 암반을 추가로 굴착하는 해석기법이다. ${\bigcirc}{\bigcirc}$광산에서 실제 침하가 발생한 단면(5+10)을 대상으로 이 기법들을 적용하고 그 적용성을 확인하였으며, 침하가 발생하지 않았으나 침하가 우려되는 단면(3+10)을 대상으로 이 기법들을 또한 적용하고 지반 안정성을 평가하였다. 5+10 단면에서 추가 붕락을 통해 지표 최대변위가 41 mm 증가하여 46 mm가 나타났으며 추가 붕락에 따라 최대변위 위치가 실제 침하범위로 변화하는 양상을 확인하였다. 3+10 단면의 해석결과는 추가 붕락으로 5 mm 증가하여 7 mm의 지표 최대 변위가 발생하고 파괴영역이 채굴적 천단부에서 지표로 이어지지 않아 침하 가능성이 낮게 판단되었다.
This study is the numerical analysis for the ground stability assessment in ${\bigcirc}{\bigcirc}$mine. The subsidence factors applied to the numerical analysis were as follows. First, the deterioration of the rock mass properties by excavation of the disturbed zone. Second, using the ave...
This study is the numerical analysis for the ground stability assessment in ${\bigcirc}{\bigcirc}$mine. The subsidence factors applied to the numerical analysis were as follows. First, the deterioration of the rock mass properties by excavation of the disturbed zone. Second, using the average lateral pressure coefficient of Korea. Third, a study of the mine history. Fourth, the excavating collapsed rock mass in numerical analysis based on the assumption that the rock mass around the goaf was collapsed due to the mining. The developed methods were applied to the cross section (5+10) of the actual subsidence in ${\bigcirc}{\bigcirc}$mine. The feasibility of the numerical analysis methods was confirmed by providing the same results as those of the actual subsidence. Next, the developed methods were applied to the cross section (3+10) that had a high probability of subsidence and the ground stability was evaluated. The analysis results show that the vertical displacement for the 5+10 cross section occurs at a maximum of 46 mm, whereas the analysis results show that the vertical displacement for the 3+10 cross section occurs at a maximum of 7 mm. Hence, it is concluded that the probability for subsidence is low.
This study is the numerical analysis for the ground stability assessment in ${\bigcirc}{\bigcirc}$mine. The subsidence factors applied to the numerical analysis were as follows. First, the deterioration of the rock mass properties by excavation of the disturbed zone. Second, using the average lateral pressure coefficient of Korea. Third, a study of the mine history. Fourth, the excavating collapsed rock mass in numerical analysis based on the assumption that the rock mass around the goaf was collapsed due to the mining. The developed methods were applied to the cross section (5+10) of the actual subsidence in ${\bigcirc}{\bigcirc}$mine. The feasibility of the numerical analysis methods was confirmed by providing the same results as those of the actual subsidence. Next, the developed methods were applied to the cross section (3+10) that had a high probability of subsidence and the ground stability was evaluated. The analysis results show that the vertical displacement for the 5+10 cross section occurs at a maximum of 46 mm, whereas the analysis results show that the vertical displacement for the 3+10 cross section occurs at a maximum of 7 mm. Hence, it is concluded that the probability for subsidence is low.
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문제 정의
본 연구는 한국광해관리공단에서 2010년에 실시한“○○광산 지반보강공사 실시설계보고서”의 지반안정성 검토 용역의 일환으로 수행되었으며, 실제 침하가 발생한 ○○광산 현장에 대해 수치해석을 수행하였다.
본 연구에서는 실제 침하가 발생한 ○○광산에 대한 수치해석 결과가 실제 침하를 발생시키도록 현실적으로 모사하기 위한 합리적인 수치해석 기법을 연구하고 적용하였다. 또한 침하가 발생하지 않았으며 그 침하가 우려되는 지역을 선정하여 동일한 기법을 적용하고 그 안정성을 평가하였으며 그 결과는 다음과 같다.
4% 감소하여 암반사면의 설계 및 시공 시 손상대 고려의 필요성을 강조하였으며 권민혁 등(2016)은 채수율 향상을 위한 주방식 하이브리드 채광법이 적용된 석회석 광산에 대해 불연속체 해석을 수행하여 굴착손상영역의 제어가 필요하다고 판단하였다. 이렇듯 다양한 연구에서 굴착과 채광에 의한 손상대의 영향성이 확인되었으며 본 연구에서는 이러한 손상대 발생으로 인한 채굴적 주변 암반의 물성 열화 현상을 고려하여 수치해석을 수행하였다.
가설 설정
채굴적 측벽부와 보안광주에 파괴영역이 집중되어 분포하고 있고 채굴적 천단부에서부터 지표까지 이어지는 파괴영역이 나타나지 않았다. Fig. 12에서 지표 최대 침하는 약 2 mm가 발생하였으며 채굴적 천반부, 측벽부, 그리고 보완광주에 대해 추가 붕락을 가정하고 추가로 해석을 수행하였다. 총 4차까지의 추가 굴착 후 해석을 수행하였으며 Fig.
5에서 지표 최대 침하는 약 5 mm가 발생하여 실제 침하가 일어난 현장을 모사하는 해석단면이라고 하기에 무리가 있다. 따라서 파괴영역이 공동으로 붕락되었다고 가정하고 추가로 해석을 수행하였다. 총 12차까지의 추가 굴착 후 해석을 수행하였으며 각각의 추가 굴착은 전 단계해석결과의 파괴영역을 분석하여 추가 굴착 여부를 결정하였다.
이러한 현상으로 인해 채굴적 천반부에 추가적인 굴착이 발생하게 되며 추가적인 파괴영역이 발생하게 된다. 본 연구에서는 채광이력에 의한 수치해석 수행 후 파괴영역이 공동으로 붕락하는 것을 가정하여 해석을 수행하였으며 붕락 후 수치해석 결과의 파괴영역을 분석하여 추가 붕락 여부를 결정하였다.
제안 방법
13, 14, 15는 각각 1차, 2차, 4차 추가 굴착 후 해석을 수행한 파괴영역 결과를 나타내고 있다. 2차 추가 붕락 해석 후 채굴적 천반부의 파괴영역이 근소하며 주로 측벽으로 파괴가 진행되어 추가적인 해석을 종료해야 할 것으로 판단되었으나 침하가 예상되는 지역이기에 4차 붕락 단계까지 추가로 해석을 진행하였다. Fig.
수치해석에 적용된 암반의 공학적 물성값은 암반등급에 따른 경험식을 토대로 산출한 결과와 실내실험 결과를 반영시켜 결정하였다. ○○광산 지표 침하지 주변에서 수행한 시추조사로부터 나온 RQD 값 및 지하수위, 암석코어 실내 시험으로 나온 일축압축강도를 통해 분류한 RMR 등급을 활용하였으며 모델링을 단순화하기 위해 모델링 구간을 분할하여 각 분할 구역에 대한 RMR 등급을 적용하였다(한국광해관리공단, 2009, 한국광해관리공단, 2010). 암반등급별 입력물성은 Table 1 같다.
○○광산은 복잡한 채광이력을 갖고 있으며 수치해석의 신뢰성을 높이기 위해 한국광해관리공단(2009)의 ○○광산 정밀 조사 보고서를 바탕으로 실제 채광이력을 조사하여 수치해석의 순서를 결정하였다. 그리고 채광 후 발파로 인한 손상대를 고려하여 광체주변모암의 물성 열화 현상을 적용하였다.
○○광산은 복잡한 채광이력을 갖고 있으며 수치해석의 신뢰성을 높이기 위해 한국광해관리공단(2009)의 ○○광산 정밀 조사 보고서를 바탕으로 실제 채광이력을 조사하여 수치해석의 순서를 결정하였다. 그리고 채광 후 발파로 인한 손상대를 고려하여 광체주변모암의 물성 열화 현상을 적용하였다. 해석순서는 다음과 같다.
충청북도 충주시에 위치한 ○○광산은 1954년부터 1987년까지 약 200여 만 톤의 철을 생산하였다. 노천채굴 개발 후 심부화 됨에 따라 갱내 개발로 전환하여 기간갱부터 그 하부 -110갱까지 갱도를 굴진하여 개발하였다. 그러나 폐광 후 채굴공동 및 갱도의 방치로 지표침하나 함몰로 인한 안정성 문제가 대두되고 있다(한국광해관리공단, 2007).
본 연구에서는 실제 침하가 발생한 ○○광산에 대한 수치해석 결과가 실제 침하를 발생시키도록 현실적으로 모사하기 위한 합리적인 수치해석 기법을 연구하고 적용하였다. 또한 침하가 발생하지 않았으며 그 침하가 우려되는 지역을 선정하여 동일한 기법을 적용하고 그 안정성을 평가하였으며 그 결과는 다음과 같다.
본 수치해석에서는 붕락을 가정하고 채굴적 주변 암반의 파괴영역을 추가로 굴착을 해석을 수행하였다. 하지만 체적팽창이 적용된 붕락 파쇄암이 채굴적으로 쌓이는 현상을 해석에 고려하지 않아 실제 현장을 모사하는 데 있어 그 한계가 있다.
또한 수치해석 모델이 최대한 현장조건에 부합하기 위한 합리적이고 논리적인 수치해석 기법의 연구가 필수적이다. 본 연구에서는 문헌연구를 통해 총 4가지의 인자를 고려하여 수치해석에 적용하였으며 그 내용은 다음과 같다.
기존 수치해석 연구에서는 측압계수에 대해 일괄적으로 1이나 포아송비로 계산되는 값을 적용하였다. 본 연구에서는 수압파쇄법에 의해서 계측된 현장계측자료를 기초로 하여 한반도 전체의 평균 측압계수 값을 선정하였다. 현장계측자료의 최대수평주응력의 작용방향은 평균적으로 N77°E의 방위각을 가진 것으로 분석되었고, 최대수평주응력에 대한 평균 측압계수(KH)는 2.
수치해석에 적용된 암반의 공학적 물성값은 암반등급에 따른 경험식을 토대로 산출한 결과와 실내실험 결과를 반영시켜 결정하였다. ○○광산 지표 침하지 주변에서 수행한 시추조사로부터 나온 RQD 값 및 지하수위, 암석코어 실내 시험으로 나온 일축압축강도를 통해 분류한 RMR 등급을 활용하였으며 모델링을 단순화하기 위해 모델링 구간을 분할하여 각 분할 구역에 대한 RMR 등급을 적용하였다(한국광해관리공단, 2009, 한국광해관리공단, 2010).
실제 침하가 발생한 5+10 단면에 대해 손상대에 의한 암반 물성 열화, 현장계측자료에 의한 국내 평균 측압계수, 철저한 사전 문헌조사를 통한 채광이력, 붕락을 가정한 추가 굴착 해석의 기법을 적용하여 실제 침하위치에 근접한 위치에 침하가 나타나는 수치해석을 수행하여 본 수치해석 기법들의 적용성을 확인하였다. 추가 붕락 전 5 mm에서 추가 붕락 후 46 mm까지 지표 최대변위가 증가하였으며 추가적인 붕락해석에 따라 지표 최대변위의 위치가 실제 침하범위로 변화하는 양상을 확인하였다.
따라서 파괴영역이 공동으로 붕락되었다고 가정하고 추가로 해석을 수행하였다. 총 12차까지의 추가 굴착 후 해석을 수행하였으며 각각의 추가 굴착은 전 단계해석결과의 파괴영역을 분석하여 추가 굴착 여부를 결정하였다. Fig.
침하가 우려되는 3+10 단면에 대해 5+10 단면에 적용한 수치해석 기법들을 사용하여 해석을 수행하였다. 4차 추가 붕락까지 해석을 수행하였으며 추가 붕락 전 2 mm에서 추가 붕락 후 7 mm까지 지표 최대 변위가 증가하였다.
본 연구는 한국광해관리공단에서 2010년에 실시한“○○광산 지반보강공사 실시설계보고서”의 지반안정성 검토 용역의 일환으로 수행되었으며, 실제 침하가 발생한 ○○광산 현장에 대해 수치해석을 수행하였다. 침하지를 포함하는 단면에 대해 수치해석 결과가 실제 침하를 발생하도록 다양한 수치해석 기법을 연구하고 적용하였으며 동일한 기법을 침하지를 포함하지 않은 단면에 적용하여 지반 안정성을 평가하였다
데이터처리
수치해석을 위해 2차원 유한차분 프로그램인 FLAC을 사용하였다. 2차원 해석의 경우 특정 해석단면을 결정해야 하며 Fig.
성능/효과
16은 연직방향으로의 변위분포를 나타내고 있다. 4차 추가 붕락 후 지표 최대 변위는 7 mm로 Fig. 12에서 발생한 2 mm보다 5 mm 증가하였으며 최대 변위의 위치는 25 m 떨어진 실제 침하지역 범위 안에 포함되어 나타났다. 따라서 채굴적 주변 파괴영역의 추가 붕락으로 지표침하가 발생한다면 위치는 x축 180 m 지점으로 예상되나 그 가능성은 5+10 단면과 비교하여 현저히 낮을 것으로 판단된다.
6, 7, 8, 9, 10은 각각 1차, 5차, 8차, 10차, 12차 추가 굴착 후 해석을 수행한 파괴영역 결과를 나타내고 있다. 계속하여 채굴적 천반부에서 지표에 이르는 파괴영역을 보이며 실제 침하가 발생한 위치로 파괴영역이 진행됨을 확인할 수 있었다. 이는 현재 지표침하의 양상을 대변하는 것이라 판단된다.
12에서 발생한 2 mm보다 5 mm 증가하였으며 최대 변위의 위치는 25 m 떨어진 실제 침하지역 범위 안에 포함되어 나타났다. 따라서 채굴적 주변 파괴영역의 추가 붕락으로 지표침하가 발생한다면 위치는 x축 180 m 지점으로 예상되나 그 가능성은 5+10 단면과 비교하여 현저히 낮을 것으로 판단된다.
12차 추가 붕락 후 최대변위는 26 mm 증가하여 46 mm로 나타났으며 최대 변위의 위치 또한 실제 침하지역 범위 안에 포함되어 나타났다. 연속체 해석모델로 인해 단지침하량이 최대 46 mm 정도로 나타났지만 추가 붕락에 따른 최대 변위의 크기와 위치의 변화 양상을 통해 본 수치해석 기법의 적용성을 확인할 수 있었다.
5는 채광이력의 마지막 단계인 노천채광 지역매립 후 해석 결과이다. 채굴적 천단부와 보안광주에 파괴영역이 집중되어 분포하고 있고 채굴적 천단부에서부터 실제 침하가 발생한 위치의 지표까지 이어지는 파괴영역을 확인할 수 있었다. 하지만 Fig.
실제 침하가 발생한 5+10 단면에 대해 손상대에 의한 암반 물성 열화, 현장계측자료에 의한 국내 평균 측압계수, 철저한 사전 문헌조사를 통한 채광이력, 붕락을 가정한 추가 굴착 해석의 기법을 적용하여 실제 침하위치에 근접한 위치에 침하가 나타나는 수치해석을 수행하여 본 수치해석 기법들의 적용성을 확인하였다. 추가 붕락 전 5 mm에서 추가 붕락 후 46 mm까지 지표 최대변위가 증가하였으며 추가적인 붕락해석에 따라 지표 최대변위의 위치가 실제 침하범위로 변화하는 양상을 확인하였다.
현장계측자료의 최대수평주응력의 작용방향은 평균적으로 N77°E의 방위각을 가진 것으로 분석되었고, 최대수평주응력에 대한 평균 측압계수(KH)는 2.44, 최소수평주응력에 대한 평균 측압계수(Kh)는 1.84로 분석되었다(배성호, 2005, 임성범, 2011).
후속연구
하지만 체적팽창이 적용된 붕락 파쇄암이 채굴적으로 쌓이는 현상을 해석에 고려하지 않아 실제 현장을 모사하는 데 있어 그 한계가 있다. 따라서 붕락 파쇄암의 채굴적 쌓임을 적용하는 추가적인 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
기존의 수치해석을 이용한 지반 안정성 평가 연구는 채굴적 상부의 지질구조 및 주변 암반 조건에 대해 통합 물성을 적용하고 있으며 침하의 근원이 되는 채굴적 주변 암반의 파괴/붕락 이후 지표침하로 이어지는 과정에 대한 연구가 미흡하며 채굴적 주변 소성영역을 해석하는 데 그치고 있다. 이러한 한계점을 보완하기 위해서는 실제 현장여건에 부합하는 수치해석 절차 및 기법을 연구할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내 폐광산의 문제점은?
국내 폐광산은 대부분 미복구된 상태로 전국에 산재되어 있으며 과거 생산위주의 채광활동으로 인해 다양한 형태의 지반침하를 발생시키고 있다. 이러한 지반침하는 지표에 존재하는 시설물의 안정성뿐만 아니라 주민들의 안전을 위협하는 잠재적 요인으로 작용하고 있다
지반 안정성 수치해석에는 어떤 과정이 필요한가?
지반 안정성 수치해석 과정은 우선 모사하고자 하는 지반 조건에 대한 시나리오 설정과 지반의 특성을 반영하기 위한 지반모델링, 각 지반모델에 해당하는 공학적 물성, 외력 및 초기조건 등의 입력변수 결정, 경계조건 결정 등의 개념적 모델링 과정이 필요하다. 또한 수치해석 모델이 최대한 현장조건에 부합하기 위한 합리적이고 논리적인 수치해석 기법의 연구가 필수적이다.
한국원자력연구원 내 지하연구시설 건설로 발생된 손상대에 대해 정량적으로 평가한 결과는?
Backblom and Martin(1999)은 손상영역에 대해 failed zone, damaged zone,disturbed zone으로 세분화 하였으며 각각의 영역의 범위에 대해 failed zone과 damaged zone은 터널 직경의1배 이하, disturbed zone은 터널 직경의 2-4배를 갖는다고 제안하였다. 한편 국내의 연구사례로 이창수 등(2006, 2011)은 한국원자력연구원 내 지하연구시설의 건설로 인해 발생된 굴착손상영역에 대해 정량적으로 평가하였으며 그 결과로 1.1-2.4 m의 굴착손상영역의 범위와 암반 물성의 경우 P파 속도, S파 속도, 탄성계수 그리고 일축압축강도가 약 11-37% 감소하여 나타났음을 확인하였다. 또한 김진수 등(2014)은 암반사면에 손상대를 고려한 수치해석적 연구를 통해 강도감소법에 의해 계산된 안전율이 최대 49.
참고문헌 (11)
권민혁, 최성웅, 김창오, 2016, 굴착손상영역을 고려한 석회석 갱내채광장의 안정성 분석 연구, 터널과 지하공간, 26(1), 131-142.
권상기, 조원진, 2007, 발파에 의한 터널주변 암반 손상대 발생 평가, 대한화약발파공학회지, Vol. 25, No. 1, pp. 15-29.
이창수, 전석원, 권상기, 조원진, 서영호, 박현익, 2006, 한국원자력연구소 내 지하처분 연구시설에서의 암반 손상대 평가, 한국암반공학회 특별 심포지움, pp. 15-24.
임성범, 2011, 3차원 지하공동 굴착 및 지보의 진행에 따른 암반의 응력경로에 관한 연구, 석사학위논문, 한양대학교, 서울, 68p.
한국광해관리공단, 2007, OO광산 지반안정성 기본조사 보고서. 177p.
한국광해관리공단, 2009, OO광산 지반안정성 정밀조사 보고서. 311p.
한국광해관리공단, 2010, OO광산 지반보강공사 실시설계 보고서. 209p.
Backblom, G. and C.D. Martin, 1999, Recent Experiments in Hard Rocks to Study the Excavation Response: Implications for the performance of a Nuclear Waste Geological Repository, Tunnelling and underground space technology, Vol. 14, No. 3, pp. 377-394.
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