[논문]LIDAR를 활용한 지하광산의 안정성 분석에 관한 연구

이승중; 김병렬; 진연호; 최성웅

doi:10.7474/tus.2017.27.6.406

LIDAR를 활용한 지하광산의 안정성 분석에 관한 연구
A Study on the Stability Analysis of Underground Mine using LIDAR 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.27 no.6, 2017년, pp.406 - 421

이승중 (강원대학교 지구자원연구소) , 김병렬 (강원대학교 공과대학 자원에너지 시스템공학과) , 진연호 ((주)한화 D&B기술팀) , 최성웅

초록
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본 연구에서는 LIDAR를 이용하여 채굴적의 형상을 수치적으로 정확히 측량하고 이때 획득된 점군 데이터를 3차원 전산해석에 직접 반영함으로써 구조물의 실제 형상을 전산해석에 그대로 반영하는 과정을 모사하고 있다. 해석 대상은 채수율 향상을 목적으로 개발된 주방식 하이브리드 채광법이 적용되고 있는 지하 석회석광산의 일부 구역이다. 연구대상 구역에 대한 LIDAR 측정을 통해, 상하부 수직 안전광주의 중심축은 NW 방향으로 치우쳐 있고 특히 하부 수직 안전광주의 경우 설계단면인 $100m^2$ 보다 약 $34m^2$ 만큼 작은 것으로 확인되었다. 또한 LIDAR 측량 결과를 바탕으로 전산해석을 실시한 결과, 하부 수직보안광주의 하단부에 응력집중이 발생하면서 수직 안전광주 전체에 전단파괴양상이 나타나는 것으로 확인되어 보강작업이 제안된 바 있다. 따라서 LIDAR에 의한 채굴적의 측정은 안전광주의 기하학적 구조 및 현상을 정량적으로 정확히 분석할 수 있으며 이를 통한 채굴적의 안정성 분석은 보다 높은 신뢰도를 제시할 수 있다는 점에서 매우 효과적인 채굴적 형상 계측 기법의 하나로 제안될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study describes a precise numerical analysis process by adopting the real image of mine openings obtained by LIDAR, which can produce a point cloud data by measuring the target surface numerically. Research area is a section of underground limestone mine which is used hybrid room-and-pillar method for improving the production rate. From the application of LIDAR to this section several results were deduced, that is, the central axis of upper and lower vertical safety pillars is distorted to the direction of NW and the section area of lower vertical safety pillar is $34m^2$ smaller than the designed area of $100m^2$. The results of precise measurement in geometrical shape of mine openings and precise simulation in numerical analysis confirms that LIDAR techniques can be suggested as a valuable tool for stability analysis in underground mine by configuring the mine opening shape.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

단면 분석결과에서 확인할 수 있듯이, Lv520 채광장과 Lv540 채광장의 수직 안전광주의 단면적 차이로 인하여 상부 암반을 지지하는 허용 지지력이 취약할 것으로 판단되는 바, 채광 기간 동안 수직 안전광주의 안정성을 확보하기 위해서는 이에 대한 안전 진단 및 보강 대책이 필요할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 시험영역의 수직 안전광주와 채광장의 안정성을 분석하기 위하여 LIDAR로 취득한 점군 데이터를 활용하여 3차원 연속체 전산해석을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 현장조사가 이루어진 시점을 기준으로 상하부 채광장에 형성된 수직 안전광주와 채광장의 안정성을 분석하기 위하여 Fig. 3과 같은 연구 방법으로 LIDAR를 이용한 측량작업과 전산해석을 수행하였다.
본 연구에서는 주방식 하이브리드 채광법(hybrid room and pillar mining method)이 적용되고 있는 광산에 대 하여 LIDAR로 시험영역의 채광장을 측량하였으며, 이로부터 취득한 점군(point cloud) 자료를 활용하여 수직 안전광주의 단면 분석과 3차원 전산해석에 직접 활용하여 채광장에 대한 안정성 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 주방식 하이브리드 채광법이 적용되고 있는 광산에 대하여 LIDAR로 시험영역의 채광장을 측량하였으며, 이로부터 취득한 점군 자료를 활용하여 수직 안전광주의 단면 분석과 3차원 전산해석에 직접 활용하여 채광장에 대한 안정성 분석을 수행하였다. 본 연구에서 분석한 내용을 정리하면 다음과 같다.

가설 설정

LIDAR로 측정한 단면에서는 실제로 수평 안전광주가 일부 회수된 상태였지만, 본 분석에서는 평균 광주응력을 계산하기 위하여 수평 안전광주 회수 이전의 상태를 고려하였다. 또한, 안전율 계산을 위하여 불규칙 한 단면의 형상을 정방형 단면으로 가정하고, 분석된 단면적을 이용하여 광주의 폭을 8.13 m로 역산하였다. 갱도의 폭은 Fig.

제안 방법

3차원 모델을 이용하여 향후 22 m 높이의 수직 안전 광주가 형성될 영역에 대하여 길이 측량과 단면 분석을 수행하였다. 시험영역의 채광작업이 완료되면, 최종적으로 총 4개의 수직 안전광주가 채광장에 남게 되지만, 현 조사시점까지 수평 안전광주 회수 작업으로 Fig.
20과 같이 채광 계획 단계에서 작성된 계획단면과 실제 채광장에서 LIDAR로 측정한 단면을 기준으로 각각의 안전율을 계산하였다. LIDAR로 측정한 단면에서는 실제로 수평 안전광주가 일부 회수된 상태였지만, 본 분석에서는 평균 광주응력을 계산하기 위하여 수평 안전광주 회수 이전의 상태를 고려하였다. 또한, 안전율 계산을 위하여 불규칙 한 단면의 형상을 정방형 단면으로 가정하고, 분석된 단면적을 이용하여 광주의 폭을 8.
Lv520 채광장 서쪽 영역에서는 수평 안전광주의 회수 작업으로 파쇄석들이 적치되어 있었기 때문에 접근이 불가능하여 정확한 측량작업이 이루어지지 못하였다. 따라서 1번 수직 안전광주는 Lv540 채광장 영역에 대하여 횡단면 분석을 수행하였으며, 2번 수직 안전광주는 Lv520 채광장과 Lv540 채광장에 형성된 수직 안전광주의 중심을 기준으로 횡단면과 종단면 분석을 수행하였다.
9와 같이 1번 수직 안전광주(pillar 1)와 2번 수직 안전광주(pillar 2)의 최종 굴착면이 약 80% 정도 형성되어 있었다. 따라서 본 연구에서는 두 수직 안전광주를 중심으로 단면 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 LIDAR를 이용하여 시험영역의 채광장과 수직 안전광주에 대하여 측량작업을 수행하고, 연속적인 3차원 좌표, 즉 점군 데이터를 취득하였다. 또한 채광장과 광주의 면적 및 부피를 산정하기 위하여 연속적인 surface 모델을 생성하였으며, Lv520 채광장과 Lv540 채광장에 형성된 수직 안전광주의 단면 분석을 수행하였다.
본 연구에서 Lv520 채광장의 2번 수직 안전광주에 대한 안전율은 선행 연구자들에 의해 제안된 경험식과 전산해석에서 도출된 결과를 이용하여 분석하였다.
본 연구에서는 현장 접근성과 점군 데이터의 중첩성을 고려하여 Lv540 채광장에서는 5개의 지점을 선정하여 측량작업을 수행하였고, Lv520 채광장에서는 서쪽 영역에 수평 안전광주의 회수 작업으로 인한 파쇄석들이 적치되어 있었기 때문에 접근이 불가능하여 2개의 지점에서만 측량작업을 수행하였다. 측량작업시 각 위치에서 장애물 또는 먼지에 의한 측량 오차를 줄이기 위하여 측정각도를 최대로 설정하였다.
이상에서 살펴본 바와 같이 측정단면으로 분석한 안전율은 다소 불안정한 상태를 나타내기 때문에, 실측 데이터를 활용한 전산해석 결과에서도 이러한 양상이 나타내는지 확인하고자, 암반의 강도에 대한 최대 주응력의 비로 식 (5)과 같이 안전율을 정의하여 살펴보았다(Geogeny, 2014).
전산해석 결과는 시험영역 내의 수직 안전광주를 중심으로 분석하였으며, 불안정성이 야기되는 영역에 대하여 추가적으로 안정성을 검토하였다.
채광장과 수직 안전광주의 실제 형상을 반영한 전산 해석 모델을 이용하기 위하여, LIDAR로 취득한 점군 데이터를 Itasca사의 Griddle 프로그램을 이용하여 FLAC 3D의 3차원 메시(mesh)로 재구성 하였다. 또한 Fig.
앞서 분석된 수직 안전광주의 단면 분석 결과와 전산 해석 결과에서 Lv520 채광장에 형성된 2번 수직 안전광주는 실제 현장에 숏크리트나 록볼트로 보강한 효과를 배제한다면, 불안정한 상태임을 확인할 수 있다. 현장 조사 결과, 현 단계에서는 불안정성이 관찰되지 않았지만, 향후 수평 안전광주 회수시 불안정성이 야기될 수 있기 때문에 보강효과를 배제한 보수적인 측면에서 안전율을 검토하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 LIDAR를 이용하여 시험영역의 채광장과 수직 안전광주에 대하여 측량작업을 수행하고, 연속적인 3차원 좌표, 즉 점군 데이터를 취득하였다. 또한 채광장과 광주의 면적 및 부피를 산정하기 위하여 연속적인 surface 모델을 생성하였으며, Lv520 채광장과 Lv540 채광장에 형성된 수직 안전광주의 단면 분석을 수행하였다.
본 연구의 대상광산은 대성MDI 동해사업소로서, 대평 지구의 Lv540 채광장을 중심으로 수평단면 50 m × 50 m의 시험영역(test bed)을 형성하고, 주방식 하이브리드 채광법으로 채광작업을 수행하고 있다. 주방식 하이브리드 채광법은 수평 안전광주나 수직 안전광주의 일부를 채광장의 안정성이 확보되는 범위 내에서 회수함으로써 광체의 채수율을 극대화하는 방법이다.

데이터처리

19와 Fig. 20과 같이 채광 계획 단계에서 작성된 계획단면과 실제 채광장에서 LIDAR로 측정한 단면을 기준으로 각각의 안전율을 계산하였다. LIDAR로 측정한 단면에서는 실제로 수평 안전광주가 일부 회수된 상태였지만, 본 분석에서는 평균 광주응력을 계산하기 위하여 수평 안전광주 회수 이전의 상태를 고려하였다.

이론/모형

먼저 경험식에 의한 안전율은 광주강도(pillar strength) 와 평균 광주응력(average pillar stress)의 비로서, 식 (1) 과 같이 안전율을 구할 수 있다. 여기서 광주강도를 산정하는 식은 선행 연구자들에 의해 다양한 경험식들이 제안되었지만, 본 연구에서는 Greenwald(1939)의 경험식(식 (2)), Holland and Gaddy(1964)의 경험식(식 (3))을 이용하여 각각 산정하였으며, 평균 광주응력은 tributary area 이론식(식 (4))으로부터 산정하였다.
전산해석을 위한 입력자료는 현장조사 자료와 실내 암석물성시험을 기반으로 산정된 지반정수와 탄소성 모델인 Mohr-Coulomb 항복기준을 적용하였다(Table 2).
점군 데이터를 정합(matching)하는 방법에는, 코드화 된 타켓(coded target matching)을 이용하는 방법, 임의의 특징점을 설정하여 수동으로 정합시키는 방법(manual matching), 전체 점군 데이터들에 대한 통계처리로부터 소프트웨어에서 자동적으로 정합시키는 방법, 즉 스마트 매칭(smart matching) 기법 등이 있으며, 본 연구에서는 스마트 매칭기법을 이용하여 각 위치별 점군 데이터를 단계별로 정합시켰다.

성능/효과

2번 수직 안전광주에 대한 종단면 분석결과, 수직 안전광주는 P2-NS단면에서 평균 약 22.00 m, P2-EW단 면에서 평균 약 23.00m의 높이로 형성되었으며, 두 단면에서 분석된 수직 안전광주의 평균 높이는 약 22.50m 로 분석되었다(Fig. 12).
2. Lv520 채광장에 형성된 2번 수직 안전광주는 Lv540 채광장에 형성된 수직 안전광주보다 단면적이 95.17 m² 만큼 작을 뿐만 아니라 광주의 중심축이 NW 방향으로 치우쳐져 있음이 확인되었다. 이러한 원인에는 여러 가지가 고려될 수 있겠으나, 특히 발파시 발파충격으로 인하여 수직 안전광주에 분포하고 있는 급경사의 절리를 따라 분리 거동이 유발하면서 여굴이 발생한 것으로 판단된다.
앞서 분석된 수직 안전광주의 단면 분석 결과와 전산 해석 결과에서 Lv520 채광장에 형성된 2번 수직 안전광주는 실제 현장에 숏크리트나 록볼트로 보강한 효과를 배제한다면, 불안정한 상태임을 확인할 수 있다. 현장 조사 결과, 현 단계에서는 불안정성이 관찰되지 않았지만, 향후 수평 안전광주 회수시 불안정성이 야기될 수 있기 때문에 보강효과를 배제한 보수적인 측면에서 안전율을 검토하였다.
이상의 분석된 결과와 시험영역에 적용하고 있는 신규 채광법(주방식 하이브리드 채광법)의 설계 자료를 비교분석해 보면, 수직 안전광주의 단면적은 가로와 세로가 10 m로 100 m² 의 단면적을 갖도록 설계되어 있지만, 실제 채광장에 형성된 수직 안전광주의 단면적은 66.16 m² ∼ 161.33 m² 의 범위를 갖는 것으로 분석되었다. 이로부터 채광장에 형성된 수직 안전광주에는 국부적으로 여굴 및 미굴 영역이 존재함을 확인할 수 있다.
이상의 현장 적용사례를 통하여 지하채굴적의 정량적 형상 파악 및 이를 통한 정밀 전산해석에 있어서 LIDAR 기법이 효과적으로 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다. 특히 LIDAR는 현장에서 신속, 용이하게 채굴적 형상에 대한 점군 데이터를 취득할 수 있기 때문에 광산 전체에 대한 채굴영역을 DB화 하는데 있어서 매우 유용하게 적용될 수 있으며, DB화된 정밀 데이터를 토대로 채굴적의 붕락 및 지반침하 우려지역을 정확하게 예측함으로써 위험구간에 대한 보강 및 대책마련에도 능동적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

단면 분석결과에서 확인할 수 있듯이, Lv520 채광장과 Lv540 채광장의 수직 안전광주의 단면적 차이로 인하여 상부 암반을 지지하는 허용 지지력이 취약할 것으로 판단되는 바, 채광 기간 동안 수직 안전광주의 안정성을 확보하기 위해서는 이에 대한 안전 진단 및 보강 대책이 필요할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 시험영역의 수직 안전광주와 채광장의 안정성을 분석하기 위하여 LIDAR로 취득한 점군 데이터를 활용하여 3차원 연속체 전산해석을 수행하였다.
0 인 것으로 나타났다. 따라서 이들 결과를 Esterhuizen et al.(2008)이 제안한 1.5의 안전율을 기준으로 검토해 보면, 향후 별도의 보강작업 없이 수평 안전광주를 회수한다면, Lv520 채광장의 1번 수직 안전광주에서 지지하중의 증가로 인하여 안정성에 문제가 발생될 가능성이 있을 것으로 사료된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 신규 채광법을 적용하거나 안정성이 요구되는 채광계획을 수립할 경우에는, 본 연구에서 수행한 LIDAR를 이용한 3차원 측량작업, 측량 결과를 활용한 안전율 검토, 전산해석 등을 수행하여 주기적으로 광주 및 채광장의 안정성을 평가하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
이상의 분석결과로부터 확인할 수 있듯이, 현 단계에서 채광장의 전반적인 안정성에는 문제가 없을 것으로 판단되나, Lv520 채광장의 수직 안전광주에서 응력집중 현상과 전단파괴영역이 관찰되기 때문에, 향후 잔여 수평 안전광주 회수시 추가 보강 대책이나 안정성을 확보할 수 있는 채굴계획이 필요할 것으로 판단된다.
이상의 현장 적용사례를 통하여 지하채굴적의 정량적 형상 파악 및 이를 통한 정밀 전산해석에 있어서 LIDAR 기법이 효과적으로 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다. 특히 LIDAR는 현장에서 신속, 용이하게 채굴적 형상에 대한 점군 데이터를 취득할 수 있기 때문에 광산 전체에 대한 채굴영역을 DB화 하는데 있어서 매우 유용하게 적용될 수 있으며, DB화된 정밀 데이터를 토대로 채굴적의 붕락 및 지반침하 우려지역을 정확하게 예측함으로써 위험구간에 대한 보강 및 대책마련에도 능동적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
0을 나타내고 있기 때문에 불안정한 상태임을 확인할 수 있다. 한편, 실제 현장에서는 보강 작업을 수행하였기 때문에, 전산해석 결과와 같은 불안정성은 확인되지 않았지만, 향후 수평 안전광주 회수시 채광계획 수립에 있어, 본 연구의 결과를 참고자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광산의 안전관리를 위한 안정성을 평가방법은 어떤 것들이 있는가?	광산의 안전관리를 위한 안정성을 평가방법에는 암반 분류에 의한 암반평가와 경험식을 이용한 안전율 분석, 센서를 활용한 계측 방법, 전산해석 등이 있으며, 최근에는 광학기술의 발달과 광학기기의 경량화로 인하여 3차원 레이저 스캐너와 입체사진측량과 같은 3차원 측량 기법을 활용한 안전관리 기술이 광업 분야에 도입되어 활발하게 이용되고 있다.
	LIDAR는 무엇을 측량하는 장비인가?	3차원 레이저 스캐너인 LIDAR(Light Detection And Ranging)는 빛을 방출하고 반사되어 돌아오는 빛을 측정하는 측량장비로서, 현장에서 빠르고 손쉽게 3차원 공간좌표 취득이 용이하기 때문에 토목, 건축, 항공기, 선박, 고고학, 지질학, 게임, 영화 등 여러 분야에서 폭 넓게 활용되고 있다. 암반공학 분야에서 LIDAR는 절리면 거칠기 평가(Cai et al.
	본 논문에서 조사한 채광장에 형성된 수직 안전광주에는 국부적으로 여굴 및 미굴 영역이 존재함을 알 수 있는 이유는 무엇인가?	이상의 분석된 결과와 시험영역에 적용하고 있는 신규 채광법(주방식 하이브리드 채광법)의 설계 자료를 비교분석해 보면, 수직 안전광주의 단면적은 가로와 세로가 10 m로 100 m2 의 단면적을 갖도록 설계되어 있지만, 실제 채광장에 형성된 수직 안전광주의 단면적은 66.16 m2 ∼ 161.33 m2 의 범위를 갖는 것으로 분석되었다. 이로부터 채광장에 형성된 수직 안전광주에는 국부적으로 여굴 및 미굴 영역이 존재함을 확인할 수 있다.

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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