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[국내논문] 굴착손상영역을 고려한 대형 석회석 갱내채광장의 안정성 분석 연구
A Study on Stability Analysis of Large Underground Limestone Openings considering Excavation Damaged Zone 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.26 no.2, 2016년, pp.131 - 142  

권민혁 (강원대학교 공과대학 자원에너지시스템공학과) ,  최성웅 () ,  김창오 (대성엠디아이(주) 신소재연구소)

초록
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본 연구에서는 채수율 향상을 목적으로 채굴공동의 대형화를 계획하는 주방식 하이브리드 채광법이 적용되고 있는 갱내 석회석 광산에 대해 갱내절리면 조사, 시추코어 분석, 암석물성시험 등을 통해 굴착손상영역의 범위와 물성의 변화양상을 실험적으로 규명하였으며, 이를 불연속체 수치해석에 직접 반영하여 대형 채굴공동의 안정성을 분석하였다. 채굴공동이 대형화할수록 굴착손상영역의 영향은 커질 수 있음이 확인되었으며 이를 통해 굴착손상영역을 제어할 수 있는 고정밀의 발파패턴이 대안으로 제시되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Investigation for rock joints, inspection for rock core, and laboratory tests for rock specimens, in this study, have been performed for identification of the extent and properties of Excavation Damaged Zone in a underground limestone mine, which plans to enlarge the size of openings to improve the ...

주제어

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문제 정의

  • 본 연구 대상지역에서 적용된 주방식 하이브리드 채광법은 기존 주방식 채광법이 갖는 문제점인 광체의 상당 부분을 남겨 놓고 채굴을 종료하여 채수율이 낮은 문제점을 해결하고자 제안되었다(Kim et al., 2015). 본 채광법은 총 6 단계의 굴착단계를 걸쳐 수행된다.
  • 본 연구에서는 굴착손상영역의 규모를 분석하기 위하여 막장 부근의 수직 광주와 갱도 바닥면에 총 6공의 시추를 수행하였으며, 회수된 시추코어에 대하여 육안 분석 및 실내시험을 수행하였다. 회수된 시추코어의 파쇄대 구간을 확인하기 위해 주상도를 작성하였으며 이를 통해 파쇄대를 확인하였다.
  • 본 연구에서는 굴착손상영역이 광주의 안전성 및 채굴공동의 안정성에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 연구대상 광산에서 현재 개발 중인 주방식 하이브리드 채광법을 모사한 수치해석을 수행코자 하며, 이때 굴착손상영역을 고려한 경우와 그렇지 않은 경우에 대한 결과의 비교분석을 실시코자 한다. 지질 및 현장조사에 대한 절에서 이미 언급한 바와 같이, 본 연구대상 광산의경우 뚜렷한 형태의 절리군이 매우 낮은 분산도를 띄며 명확한 패턴으로 분포하고 있어 이러한 절리군의 특성을 강조하여 반영할 수 있는 불연속체 개별요소해석 프로그램인 UDEC을 사용하였다.
  • 본 연구에서는 발파에 의한 굴착작업으로 인해 야기 되는 굴착손상영역이, 대규모의 채굴공동을 형성하는 신규 주방식 채광법에 미치는 영향정도를 검토하기 위해 시추코어를 통한 굴착손상영역의 범위를 확인하였다. 그리고 기존 연구결과와 암석물성시험결과와의 비교 분석을 통한 적정 물성 값의 선정 등을 수행하였으며, 이를 바탕으로 불연속체 수치해석을 통한 굴착단계별 채굴공동의 안정성 분석을 수행하였다.
  • 본 연구에서는, 채수율 증대를 목적으로 수직 및 수평 광주의 크기를 축소함과 동시에 특정한 굴착순서를 가지는 주방식 하이브리드 채광법이 적용되고 있는 국내모 석회석광산의 갱도 안정성 검토를 위해 채굴공동의 측벽과 바닥부에서 시추작업을 수행하였다. 획득한 암석코어에 대한 육안감정 및 실내암석시험을 통하여 광주 내에 분포하는 굴착손상영역의 범위와 이의 암석물성 취약정도를 확인하였으며, 이를 토대로 한 수치해석을 바탕으로 굴착손상영역과 채굴공동 안정성의 상호 관계를 이해하고자 한다.
  • 본 연구에서는, 채수율 증대를 목적으로 수직 및 수평 광주의 크기를 축소함과 동시에 특정한 굴착순서를 가지는 주방식 하이브리드 채광법이 적용되고 있는 국내모 석회석광산의 갱도 안정성 검토를 위해 채굴공동의 측벽과 바닥부에서 시추작업을 수행하였다. 획득한 암석코어에 대한 육안감정 및 실내암석시험을 통하여 광주 내에 분포하는 굴착손상영역의 범위와 이의 암석물성 취약정도를 확인하였으며, 이를 토대로 한 수치해석을 바탕으로 굴착손상영역과 채굴공동 안정성의 상호 관계를 이해하고자 한다.

가설 설정

  • 연구대상 지역의 채굴공동 심도가 대략 지표하부 50~100 m 인 점을 고려하여 보수적인 결과 값이 나올 수 있도록 100 m 심도에 채굴공동이 분포하는 것으로 가정하였으며, 따라서 전체 해석단면은 165 × 105 m 가 되도록 구성하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
주방식 하이브리드 채광법의 굴착단계는 어떻게 구성되는가? 본 채광법은 총 6 단계의 굴착단계를 걸쳐 수행된다. 신규 채광법은 크게 상부, 중앙, 하부 갱도를 형성하는 단계 (Fig. 8(a)), 상부 채굴부의 채굴단계(Fig. 8(b)), 중앙 채굴부의 채굴단계(Fig. 8(c)), 상부 채굴부의 추가 채굴단계(Fig. 8(d)), 하부 채굴부의 채굴단계(Fig. 8(e)) 그리고 하부채굴부의 추가 채굴단계(Fig. 8(f)) 순으로 이루어지며, 채굴순서는 광산 상황에 따라 변경되어 적용될 수 있다(Kim et al., 2016).
갱내 채광장의 안전과 직결되는 요소는? 갱내 채광에서 광주의 분포형태와 이들에 의해 형성 되는 채굴공동의 양상은 갱내 채광장의 안전과 직결되는 요소이다. 특히 비교적 일정한 패턴으로 채굴공동을 형성해 나가는 주방식 채광장의 경우, 광주의 최소화를 통한 채수율의 극대화와 채광장의 최대 안전성 확보를 위한 광주의 최대화 문제는 상호 이율배반적인 요소이며, 두 조건을 모두 만족할 수 있는 최적의 조합을 구하기 위한 공학적 노력이 꾸준히 있어 왔다.
굴착손상영역 저감대책이 반드시 필요한 이유는? 이 중에서 주방식 채광장의 채굴공동을 형성하는 수평 및 수직광주의 역학적 안정성에 영향을 미치는 요소로서 다양한 변수들이 제안되어 왔으나, 굴착작업 도중 갑작스런 지하수 조건의 변화 또는 암질의 변화 등이 없는 이상, 암반 내의 불연속면의 분포양상과 굴착에 따른 채굴공동 주변 암반에서의 손상영역의 분포양상이 일반적으로 주된 변수들인 것으로 알려져 있다. 특히, 자연적 요인인 암반불연속면의 분포양상과 달리, 발파와 같은 굴착작업에 의해 야기되는 굴착손상영역(Excavation Damaged Zone)은 변형계수, 수리전도도 및 탄성파속도 등 암반의 물리적, 역학적 특성에 많은 변화를 주면서, 낙반과 같은 갱내사고의 직접적인 원인이될 수 있으므로 채굴공동의 안정성 확보를 위해서는 이에 대한 저감대책이 반드시 필요하다(Kim et al., 2009).
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참고문헌 (14)

  1. Chang, S.H., Shin, I.J., Choi, Y.K. and Lee, C.I., 2000, A Study on the Evaluation of Damage Zone around Tunnel Induced by Blasting, Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol. 16, No. 5, 129-140. 

  2. Daesung Mining Development Inc., 2014, Stability evaluation of Donghae mine, Final report. 

  3. Hoek, E. and M.Diederichs, 2006, Empirical estimation of rock mass modulus, In. J. Rock Mech. Min. Sci. 43.2, 203-215. 

  4. Kim, C.O., Um, W.Y., Chung, S.K. and Cheon, D.S., 2016, Case study of microseismic techniques for stability analysis of pillars in a limestone mine, Tunnel and underground space, Vol. 26, No. 1, 1-11. 

  5. Kim, J.S., Kwon, S.K. and Cho, W.J., 2009, An Assessment of the Excavation Damaged Zone in the KAERI Underground Research Tunnel, Explosives & blasting, Vol. 27, No. 1, 21-31. 

  6. Kim, Y.B., Chung, S.K., Jo, S.H., Kim, C.O. and Um, W.Y., Hybrid room-and-pillar mining method, Patent No. 1015657890000, 2015.10. 

  7. KORES, 2006, The Detailed Geological Survey Programme in the Samchock-Daepyong Area. 

  8. Kwon, S., Kim, J.S. and Cho, W.J., 2008, The Inflence of Excavation Damaged Zone around an Underground Research Tunnel in KAERI, Explosives & blasting, Vol. 26, No. 2, 11-19. 

  9. Lee, C., Kwon, S.K., Choi. J.W. and Jeon, S.W., 2011, An Estimation of the Excavation Damaged Zone at the KAERI Underground Research Tunnel, Tunnel and underground space, Vol. 21, No. 5, 359-369. 

  10. Lee, J.S., Moon, J.K. and Choi, W.E., 2011, Analysis of correlation between velocity of elastic wave and mechanical properties of rocks, Tunnel & Underground Space, Vol.21, No.1, 50-65. 

  11. Overt, L. and Duvall, W., 1967, Rock mechanics and the design of structures in rock, John Wiley & Sons, Inc. 

  12. Sato, T., Kikuchi, T. and Sugihara, K., 2000, In-situ experiments on an excavation disturbed zone induced by mechanical excavation in Neogene sedimentary rock at Tono mine, central Japan, Engineering Geology, 56, 97-108. 

  13. Saiang D., 2010, Stability analysis of the blast-induced damage zone by continuum and coupled continuumdiscontinuum methods, Engineering Geology, 116, 1-11. 

  14. Tsang, C.F., Bernier, F. and Davies, C., 2005, Geohydromechanical processes in the Excavation Damaged Zone in crystalline rock, rock salt, and indurated and plastic clays-in the context of radioactive waste disposal, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 42, No. 1, 109-125. 

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