[논문]지하수 포화 석회석 채굴공동에서의 골재 충전 및 임시배수시 발생하는 지하수 유동 평가

최우석; 강병천; 김은섭; 신동춘

doi:10.7474/tus.2017.27.4.205

지하수 포화 석회석 채굴공동에서의 골재 충전 및 임시배수시 발생하는 지하수 유동 평가
Evaluation of Groundwater Flow by Gravel-Filling and Temporary Drainage in Groundwater-saturated Limestone Mine Cavities 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.27 no.4, 2017년, pp.205 - 216

최우석 , 강병천 ((주)산하이앤씨 지반사업부) , 김은섭 ((주)산하이앤씨 기술연구소) , 신동춘 (벽산엔지니어링(주) 지반사업부)

초록
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지하수위 변동은 석회석 폐광산에서 발생하는 지반침하의 주된 요인이다. 본 연구에서는 지하수로 포화된 석회석 채굴공동에서 발생하는 지하수 유동을 자연상태와 골재 충전, 임시배수로 구분하여 지반 안정성에 미칠 영향을 3차원 지하수 유동 해석을 통해 평가하였다. 해석 결과 골재 충전시 지반 및 소류지의 지하수위가 상승하였지만 강우나 소류지 농업용수 사용으로 발생하는 수위차 보다 작고 유속 또한 자연상태의 유속과 유사하게 나타났다. 임시배수시에는 지반 및 소류지의 지하수위가 급격하게 하강하고 공동 내 유속이 최대 25배 이상 증가하는 것으로 나타나 지반침하 위험성이 증가하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Fluctuations in groundwater level are the major cause of ground subsidence in the abandoned limestone mine. In this study, evaluation of groundwater flow under three different cases of natural condition, aggregate-filling, temporary drainage in groundwater-saturated limestone mine cavities was executed by 3-dimensional analysis. In the case of aggregate-filling, although the water level both in the upper ground of mine cavities and an agricultural watershed was elevated, it was lower than the water level fluctuation of an agricultural water use and rainfall and the flow rate was similar to the flow rate of natural condition. In the case of temporary drainage, as the water level in the upper ground of mine cavities and an agricultural watershed decrease rapidly and the flow rate has increased by 25times, so the risk of ground subsidence increased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 채굴공동 및 상부 용식공동이 지하수로 포화되어있는 충북 청주시 삼성석회석 광산을 대상으로 과업구간의 지하수 유동에 영향을 끼칠 수 있는 외부 조건을 우기, 건기, 골재충전, 임시배수를 구분하여 이에 따른 지하수 유동해석을 실시하였다. 해석에 앞서서는 경계조건을 선정하고 결과의 신뢰도를 높이기 위해 현장조사와 유향·유속 측정시험을 실시하여 해석결과와 비교하였다.
따라서 채굴 공동 및 용식 공동 지반 지하수위에 영향을 끼치는 외부 수계는 노천 채굴적과 소류지로 판단된다. 본 절에서는 소류지와 노천 채굴적의 수위 모니터링과 유향･유속 측정 시험을 통해 과업 구간의 지하수 유동을 개략적으로 판단하고, 측정 결과를 지하수 유동해석의 경계조건으로 활용하고자 하였다.
해석 Case는 우기, 건기, 채굴적 충전시 및 임시배수 4가지 Case로 구분하였으며, 상세한 조건 및 산정방법은 Table 1, Table 2와 같다. 우기 및 건기의 Case는 농업용수 사용 및 강우외의 경계조건 변동요인이 없는 상태에서 발생 할 수 있는 지하수 유동을 확인하고 현장 조사 결과와 비교하고자 하였다. 채굴 공동 충전 Case의 경우 가장 일반적으로 쓰이는 폐광산 채굴 공동 보강방법이며, 충전에 따라 발생하는 수위증가량은 지하수 포화 석회석 채굴공동 충전효율화 방안 연구(한국광해관리공단, 2016)에서 조사한 노천 채굴적 면적, 채굴 공동 부피, 인근 굵은 골재의 공극률에 의해 계산하였다.
해석에 앞서서는 경계조건을 선정하고 결과의 신뢰도를 높이기 위해 현장조사와 유향·유속 측정시험을 실시하여 해석결과와 비교하였다. 최종적으로는 각 조건에서 지하수 유동에 따라 발생 할 수 있는 문제점을 검토하고, 향후 석회석 폐광산 지반 보강 설계 및 시공과 지반 안정성 검토의 근거자료로 활용할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

가설 설정

채굴 공동 충전 Case의 경우 가장 일반적으로 쓰이는 폐광산 채굴 공동 보강방법이며, 충전에 따라 발생하는 수위증가량은 지하수 포화 석회석 채굴공동 충전효율화 방안 연구(한국광해관리공단, 2016)에서 조사한 노천 채굴적 면적, 채굴 공동 부피, 인근 굵은 골재의 공극률에 의해 계산하였다. 이때 골재에 의해서만 노천 채굴적 수위가 증가하는 것으로 가정하였으며, 실제로는 계산된 수위 증가가 발생할 가능성은 매우 적으므로 경계조건을 안전측으로 보았다고 할 수 있다. 임시배수의 경우 지하수가 포화되어 있을 때 적용공법의 제약이 많으므로 대상지의 지반보강을 위해 쓸 수 있는 방편으로 판단되어 해석 Case로 결정하였다.

제안 방법

골재 충전에 의해 노천 채굴적 수위가 일정하게 증가하는 것으로 경계조건을 설정하여 골재 충전시 발생하는 지하수 유동에 대한 해석을 실시하였으며 해석 결과는 Fig. 11과 같다.
본 연구에서는 채굴공동 및 상부 용식공동이 지하수로 포화되어있는 석회석 폐광산에서 지하수 유동에 영향을 끼칠 수 있는 외부 조건을 우기, 건기, 골재충전, 임시배수를 구분하여 이에 따른 지하수 유동해석을 실시하였다. 해석결과로부터 각 조건에서 지하수 유동에 따라 발생 할 수 있는 문제점을 검토하였으며, 결과를 요약하면 다음과 같다.
2. 수위 모니터링 및 유향·유속 결과를 기초로 하여 3차원 지하수 유동해석을 실시하였다. 자연 상태에서 발생할 수 있는 조건인 우기 및 건기에 대한 해석결과에서는 유속 및 수위는 지하수위 모니터링결과 및 유향유속 시험의 실측값 범위로 확인되었으며, 대상지의 경우 자연 상태에서 발생하는 건기나 우기, 혹은 인위적인 소류지 수위감소는 지하수위나 유속에 미치는 영향은 매우 미미하여 지반안정성에 미치는 영향 또한 적을 것으로 판단된다.

대상 데이터

3차원 지하수 유동해석의 해석영역은 채굴적 및 공동 내 지하수에 영향을 끼치는 주변 수계(금곡 1소류지, 금곡 2소류지, 노천 채굴적)를 포함한 범위(200 m×300 m)로 설정하였다. 경계 조건은 소류지 및 노천 채굴적의 수위이며, 금곡 1소류지와 금곡 2소류지는 지하 매설관으로 서로 연결되어있기 때문에 동일 수두조건을 적용하였다.
수위 측정기간은 약 2015년 10월에서 2017년 5월까지 약 20개월이며, 매월 1회씩 현장을 방문하여 수위 측정을 실시하였다. 수위측정 결과는 월 강수량 자료와 비교하였으며, 월 강수량 자료는 청주 기상대의 기상청자료를 수집 활용하였다.
유향･유속 측정은 2016년 4월에 실시하였으며, 채굴 편별로 1개, 금곡 2소류지 주변 1개 총 4개의 시험공에서 시험을 실시하였다(Fig. 5, Fig. 6).

데이터처리

본 연구에서는 채굴공동 및 상부 용식공동이 지하수로 포화되어있는 충북 청주시 삼성석회석 광산을 대상으로 과업구간의 지하수 유동에 영향을 끼칠 수 있는 외부 조건을 우기, 건기, 골재충전, 임시배수를 구분하여 이에 따른 지하수 유동해석을 실시하였다. 해석에 앞서서는 경계조건을 선정하고 결과의 신뢰도를 높이기 위해 현장조사와 유향·유속 측정시험을 실시하여 해석결과와 비교하였다. 최종적으로는 각 조건에서 지하수 유동에 따라 발생 할 수 있는 문제점을 검토하고, 향후 석회석 폐광산 지반 보강 설계 및 시공과 지반 안정성 검토의 근거자료로 활용할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

이론/모형

우기 및 건기의 Case는 농업용수 사용 및 강우외의 경계조건 변동요인이 없는 상태에서 발생 할 수 있는 지하수 유동을 확인하고 현장 조사 결과와 비교하고자 하였다. 채굴 공동 충전 Case의 경우 가장 일반적으로 쓰이는 폐광산 채굴 공동 보강방법이며, 충전에 따라 발생하는 수위증가량은 지하수 포화 석회석 채굴공동 충전효율화 방안 연구(한국광해관리공단, 2016)에서 조사한 노천 채굴적 면적, 채굴 공동 부피, 인근 굵은 골재의 공극률에 의해 계산하였다. 이때 골재에 의해서만 노천 채굴적 수위가 증가하는 것으로 가정하였으며, 실제로는 계산된 수위 증가가 발생할 가능성은 매우 적으므로 경계조건을 안전측으로 보았다고 할 수 있다.

성능/효과

상기 결과는 골재 충전에 따른 노천 채굴적 수위증가로 인해 경계조건 간의 수두차가 증가하였지만 투수성이 높은 골재를 충전하였기 때문에 공동 내 유속의 변화가 적었고, 이에 따라 충전 전 상태와 비교하였을 때 지하수 유동의 변화 또한 미미하여 나타난 결과로 판단된다. 결과적으로 골재 충전시 주변 지반의 유효 응력변화나 유속변화에 의한 용식공동의 증가와 같은 지반 안정성에 미치는 영향은 미미할 것으로 판단되며, 소류지의 수위가 높아져 범람 하는 것과 같은 주변 수계의 악영향 또한 거의 없을 것으로 사료된다.
채굴 공동에 골재 충전시 지하수 유동해석 결과 유속변화 및 수위 변화폭은 자연 상태에서 지하수 유동해석결과와 유사한 것으로 판단된다. 결과적으로 골재 충전에 따른 수위증가가 지반 안정성에 미치는 영향은 미미할 것으로 판단되며, 소류지의 수위가 높아져 범람 하는 것과 같은 주변 수계의 악역향 또한 거의 없을 것으로 사료된다.
11과 같다. 노천 채굴적 수위가 증가함에 따라 나타나는 지하수 유동에 의해 채굴적 수위 및 소류지 수위 또한 증가하나 증가폭은 노천 채굴적 수위 변화의 1/2∼3/4 수준이며, 수위 차이 또한 강우나 농업용수 사용시 나타나는 최대 수위차인 2 m보다 작은 0.5 m 내외로 나타났다. 공동 내 유속의 범위는 0.
상기 결과는 골재 충전에 따른 노천 채굴적 수위증가로 인해 경계조건 간의 수두차가 증가하였지만 투수성이 높은 골재를 충전하였기 때문에 공동 내 유속의 변화가 적었고, 이에 따라 충전 전 상태와 비교하였을 때 지하수 유동의 변화 또한 미미하여 나타난 결과로 판단된다. 결과적으로 골재 충전시 주변 지반의 유효 응력변화나 유속변화에 의한 용식공동의 증가와 같은 지반 안정성에 미치는 영향은 미미할 것으로 판단되며, 소류지의 수위가 높아져 범람 하는 것과 같은 주변 수계의 악영향 또한 거의 없을 것으로 사료된다.
5 m인 것으로 확인되었다. 유향·유속 측정시험 결과에서는 유향은 노천 채굴적에서 소류지방향, 유속은 39.6 cm/day ∼277.4 cm/day범위이며, 시추공의 높이에 따라 유속이 큰 차이가 나타난 것으로 보았을 때 대상지 채굴 공동 상부지반에 다수의 용식공동이 분포함을 유추할 수 있었다.
5. 임시 배수시 지하수 유동해석 결과 자연 상태의 유속보다 최대 25배 이상 증가하였으며, 채굴적 수위는 14 m, 소류지 수위는 6 m까지 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 채굴적 수위가 급격하게 감소하여 암반 유효응력이 증가하고 유속증가로 인한 용식공동 확대됨에 따른 지반 안정성 문제가 발생할 수 있는 것으로 판단된다.
자연 상태에서 발생할 수 있는 조건인 우기 및 건기에 대한 해석결과, 유속 및 수위는 지하수위 모니터링결과와 유향유속 시험의 실측값 범위로 확인되었으며 실제 대상지에서 발생할 수 있는 현상을 신뢰성 있게 예측한 것으로 판단된다. 또한 해석결과로 미루어볼 때 대상지의 경우 자연 상태에서 발생하는 건기나 우기, 혹은 인위적인 소류지 수위감소는 지하수위나 유속에 미치는 영향이 매우 미미한 것으로 판단되며, 지반안정성에 미치는 영향 또한 적을 것으로 판단된다.
수위 모니터링 및 유향·유속 결과를 기초로 하여 3차원 지하수 유동해석을 실시하였다. 자연 상태에서 발생할 수 있는 조건인 우기 및 건기에 대한 해석결과에서는 유속 및 수위는 지하수위 모니터링결과 및 유향유속 시험의 실측값 범위로 확인되었으며, 대상지의 경우 자연 상태에서 발생하는 건기나 우기, 혹은 인위적인 소류지 수위감소는 지하수위나 유속에 미치는 영향은 매우 미미하여 지반안정성에 미치는 영향 또한 적을 것으로 판단된다.
지하수 유동방향 검토결과 노천 채굴적에서 금곡 1,2 소류지 방향으로 지하수가 흐르는 것으로 나타났으며, 이는 수위 모니터링에서 노천 채굴적의 수위가 더높았던 결과와 일치한다.
채굴적 공동구간의 유향은 NW∼N로 채굴방향 NE와상이하고 유속은 SH-1에서 103.6 cm/day, SH-2에서 45.7 cm/day로 일반적인 지하수의 평균유속(50 cm/day∼100 cm/day)과 유사하며, 채굴적 폭이 작은(B=11.0m, H=7.0 m) SH-1은 유속이 비교적 빠르고, 채굴적 폭이 큰(B=30.0 m, H=15.0 m) SH-2에서는 느리게 나타났다.

후속연구

6. 본 연구의 연구 방법 및 연구 결과는 대상지 혹은 대상지와 유사한 조건의 석회석 폐광산 지반 보강 설계 및 시공과 지반 안정성 검토에 있어서 근거자료로 활용할 수 있으며, 해석 결과 나타난 문제에 대한 대책은 각 현장상황에 맞게 수립해야 할 것이다.
따라서 채굴적 수위가 급격하게 감소하여 암반 유효응력이 증가하고 유속증가로 인한 용식공동 확대됨에 따른 지반 안정성 문제가 발생할 수 있는 것으로 판단된다. 또한 소류지의 수위 감소는 농업용수 감소를 야기하기 때문에 이에 대한 주민 민원이 발생할 수 있어 이에 대한 대책이 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	석회석 폐광산 침하요인은 어떤 것들이 있는가?	특히 석회석 광산의 경우 주로 주방식 채광법을 적용하여 채굴적 규모가 상당히 큰 편으로 트러프형 침하뿐만 아니라 대규모의 함몰형 침하가 발생할 가능성이 매우 높은 것으로 알려져 있다(Choi et al, 2015). 석회석 폐광산의 지반 침하요인은 채굴 공동 외에도 석회암 용식 작용에 의한 용식 공동이나 함몰지 등의 다양한 지형적인 특성과 차별 풍화에 의한 불규칙한 기반암선 등이 원인이 될 수 있다 (Wilson and Beck, 1988; Goodman, 1993; Beck and Pearson, 1995; Park. 1999; Waltman and Fookes, 2003; Lee et al.
	지하수위 변동은 석회석 폐광산에 어떤 영향을 주는가?	지하수위 변동은 석회석 폐광산에서 발생하는 지반침하의 주된 요인이다. 본 연구에서는 지하수로 포화된 석회석 채굴공동에서 발생하는 지하수 유동을 자연상태와 골재 충전, 임시배수로 구분하여 지반 안정성에 미칠 영향을 3차원 지하수 유동 해석을 통해 평가하였다.
	국내 광산의 폐광 이후 지반침하로 인한 안전사고가 발생할 우려가 높은 이유는 무엇인가?	국내 광산은 그동안 채산성 위주로 개발되어 폐광지역에서 발생하는 지반침하 대책 수립이 미흡했기 때문에 폐광 이후 지반침하로 인한 안전사고가 발생할 우려가 높다(한국광해관리공단, 2016). 특히 석회석 광산의 경우 주로 주방식 채광법을 적용하여 채굴적 규모가 상당히 큰 편으로 트러프형 침하뿐만 아니라 대규모의 함몰형 침하가 발생할 가능성이 매우 높은 것으로 알려져 있다(Choi et al, 2015).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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