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문제 정의
- Table 1에서 3차 채굴(poquiteros) 구역은 압착이 이루어지지 않아 굴착 후 광체의 자립시간이 극히 짧으므로 패널채광이 어렵다. 따라서 본 과업에서는 채굴이 이루어지지 않은 원지반(virgin)과 재충전되어 압착이 크게 이루어진 2차 채굴(retaque) 구역 위주로 검토하였다.
- 본 과업에서는 하나의 확률변수를 분석하기 위하여 다른 확률변수의 영향력을 제한시킴으로써 패널유지 기간에 대한 각 확률변수 고유의 영향도를 분석하였다. 패널 유지기간에 대한 가변적인 확률변수들의 영향도에 대한 토네이도 민감도 분석결과는 Fig.
- 따라서 지보재에 따른 지보압의 감소율을 Hoek식에 의하여 계산된 지보압 값에 대하여 GI-beam은 52%, U-29(U-beam)는 80%를 감소시켜 적용하였다. 이 감소율은 지보재에 대한 재하실험 등을 통해서 산정하여야 하나 현장 여건상 지보재의 휨강도 실험을 하기가 어려워 가정에 의하여 감소율을 적용하고 실제 시공 후 지보재의 변형을 관찰하고자 하였다.
제안 방법
- 9) 패널채광 계획에서 패널내의 보드(bord)의 크기는 채광갱도의 크기와 동일하게 정방형으로 설계하고 보드의 수는 일일 채광 생산계획에 맞추어 결정하고 채광은 어느 한 방향으로만 수행하는 것으로 계획하였다. 장비의 효율, 일일 굴진장 등을 반영하여 하루 생산량을 결정하고 패널하나를 생산하는 총 기간과 이때의 총 생산량 등을 산정하였다.
- OO광산에서 효율적인 패널채광을 위한 다양한 분석과 패널유지를 위한 강지보의 적용성을 Beta-Pert 분포와 Monte Carlo 시뮬레이션을 등을 이용하여 평가한 결과는 다음과 같다.
- 본 광산의 RMR은 25 미만으로 천반압의 보수적인 산정을 위하여 Venkateswarlu식을 적용하였다(Table 1). Table 1에서 RMR 5~15와 같이 적은 값은 공학적으로 큰 차이가 없으나 Venkateswarlu식이 낮은 RMR 구간에서 천반압이 선형적으로 편차가 크게 계산되기 때문에 채광대상구역의 천반압을 보수적으로 산정하기 위하여 적용하였다. Table 1에서 3차 채굴(poquiteros) 구역은 압착이 이루어지지 않아 굴착 후 광체의 자립시간이 극히 짧으므로 패널채광이 어렵다.
- 따라서 지보재에 따른 지보압의 감소율을 Hoek식에 의하여 계산된 지보압 값에 대하여 GI-beam은 52%, U-29(U-beam)는 80%를 감소시켜 적용하였다. 이 감소율은 지보재에 대한 재하실험 등을 통해서 산정하여야 하나 현장 여건상 지보재의 휨강도 실험을 하기가 어려워 가정에 의하여 감소율을 적용하고 실제 시공 후 지보재의 변형을 관찰하고자 하였다.
- 본 광산은 광산별 최대 개발기간을 3년 이내로 설계하였다. 따라서 패널간의 갱도는 최대 3년 유지되어야 하고 민감도 분석결과 개발심도가 가장 큰 영향인자로 분석되어 최소심도 75 m, 최빈심도 100 m, 최대심도 175 m를 선정하여 갱도 유형별 유지기간에 대한 분석을 실시하였다. 광체폭은 최대 3.
- 본 과업에서는 갱도형상에 따른 지보압의 감쇠율을 80%로 하였다. 또 지보 설치시 GI-beam은 가운데를 절단하여 M-베쉬로 체결하는 2-piece 형상이기 때문에 다시 65% 정도 감소시켜 총 지보압의 감소율을 52%로 산정하였다. U-beam은 3-piece로서 절단부위가 40°내외가 되고 하중부하시 연결부위가 미끄러져서 지보 상부 쪽에 압축대를 형성시키는 가축성 때문에 지보재의 절단특성에 따른 감소율은 적용하지 않았다.
- Hoek 식에 의한 지보압 계산식은 원형공동으로 가정한 것이고 본 광산은 마제형 갱도이기 때문에 계산된 지보압에 대한 적절한 감쇠율의 적용이 필요하다. 본 과업에서는 갱도형상에 따른 지보압의 감쇠율을 80%로 하였다. 또 지보 설치시 GI-beam은 가운데를 절단하여 M-베쉬로 체결하는 2-piece 형상이기 때문에 다시 65% 정도 감소시켜 총 지보압의 감소율을 52%로 산정하였다.
- 기 분석한 바와 같이 본 광산과 같은 연약암반에서 무지보 상태인 패널의 유지기간은 90% 신뢰수준의 통계분석에서 1~2주일 이내로 아주 짧았다. 본 과업에서는 이러한 연약구간에 대한 패널유지를 위하여 패널사이의 갱도에 강지보공을 계획하였으며, 적용 강지보는 GI-100, GI-130, U-29이며 설치간격은 1.0 m, 0.7 m로 계획하였다.
- 본 과업에서는 패널의 유지기간(life time) 평가를 위하여 Taylor(2003) 식과 Monte Carlo 시뮬레이션을 이용하고, Pert 확률분포를 개념적으로 수정하여 적용하였다(Palisade Co., 2010).
- Taylor(2003)는 34개 남아공 광산의 필러 붕괴사례를 역해석하여 각 필러의 수명과 필러의 암반강도(IPS, in-situ pillar strength), w/h ratio, 삼축응력 인자(triaxial stress factor), 평균 TAT 하중(theory of average tributary)과의 상관관계를 지배방정식 (5)로 표현하였으며, 이 식에 의해 최종 채광패널의 필러 유지기간을 예측하였다. 본 과업에서는 필러를 패널로 확장하여 적용하였다.
- 본 광산은 광산별 최대 개발기간을 3년 이내로 설계하였다. 따라서 패널간의 갱도는 최대 3년 유지되어야 하고 민감도 분석결과 개발심도가 가장 큰 영향인자로 분석되어 최소심도 75 m, 최빈심도 100 m, 최대심도 175 m를 선정하여 갱도 유형별 유지기간에 대한 분석을 실시하였다.
- 본 과업에서는 패널의 유지기간에 대한 신뢰성을 검토하기 위해 Pert 확률분석을 이용하였다. 상용프로그램 @Risk등을 이용하고자 Pert 확률분포를 개념적으로 변형하여 적용하였다.
- 6일 정도로 분석되었다. 이러한 짧은 패널의 유지기간으로는 패널채광이 불가능하기 때문에 적절한 기간 동안 패널의 유지를 위하여 강지보를 계획하였다.
- 12와 같은 패널에서 패널간 갱도 유지를 위하여 강지보를 적용하여 패널의 폭을 18 m로 하였을 때 가로방향의 보드의 수(x)는 3개 정도가 된다. 이상과 같은 설계조건을 반영하여 테스트 광산을 계획하였다.
- 9) 패널채광 계획에서 패널내의 보드(bord)의 크기는 채광갱도의 크기와 동일하게 정방형으로 설계하고 보드의 수는 일일 채광 생산계획에 맞추어 결정하고 채광은 어느 한 방향으로만 수행하는 것으로 계획하였다. 장비의 효율, 일일 굴진장 등을 반영하여 하루 생산량을 결정하고 패널하나를 생산하는 총 기간과 이때의 총 생산량 등을 산정하였다.
- 적용변수는 IPS(패널의 암반강도), PW (패널폭), H(심도), h(패널 높이), WO(갱도 폭), σp(지류론에 의한 평균 하중), γ(단위중량), k(삼축응력 인자)이다.
- 지반조건별 천반 하중압으로부터 패널간 갱도를 유지할 수 있는 지보재 평가를 위해 강지보재, 가축성 지보재 등을 비교 검토하였다. 지보재의 허용 지보압 계산식은 원형공동으로 가정된 터널단면의 탄성론에 근거한 Hoek(2007) 식과 이를 개선한 이인모(2007) 식 (3) 등이 있다.
- 패널 유지기간에 대한 가변적인 확률변수인 패널너비(PW), 패널높이(h), 갱도 폭(WO ), 지표면으로부터 심도(H)에 대한 토네이도 민감도 분석을 하였다. 토네이도 민감도 분석은 각 확률변수를 독립적으로 변화시켜 검증하는 방법으로 확률변수의 독립적인 민감도를 분석할 때 유용하다.
- 패널간 갱도는 강지보로 보강하여 패널의 유지기간을 향상하도록 하였으며, 지보력은 식(5)의 패널 암반강도(IPS)를 증가시키는 것으로써 Fig. 3과 같은 개념을 적용하였다.
데이터처리
- 본 과업에서는 패널의 유지기간에 대한 신뢰성을 검토하기 위해 Pert 확률분석을 이용하였다. 상용프로그램 @Risk등을 이용하고자 Pert 확률분포를 개념적으로 변형하여 적용하였다.
이론/모형
- 강지보의 적용성을 위하여 재채굴 조건의 패널 채광갱도에 GI-100을 적용하였다. 채광갱도에 설치된 GI-100은 Fig.
- 따라서 본 과업에서는 Hoek의 식을 이용하여 지보압을 계산하였다. Hoek 식에 의한 지보압 계산식은 원형공동으로 가정한 것이고 본 광산은 마제형 갱도이기 때문에 계산된 지보압에 대한 적절한 감쇠율의 적용이 필요하다.
- 본 광산의 RMR은 25 미만으로 천반압의 보수적인 산정을 위하여 Venkateswarlu식을 적용하였다(Table 1). Table 1에서 RMR 5~15와 같이 적은 값은 공학적으로 큰 차이가 없으나 Venkateswarlu식이 낮은 RMR 구간에서 천반압이 선형적으로 편차가 크게 계산되기 때문에 채광대상구역의 천반압을 보수적으로 산정하기 위하여 적용하였다.
성능/효과
- 1) 패널의 채광면적이 50~70%일 경우 인접 패널에서 응력집중도는 2.0~3.3배 이상 증가하며, 심도 175 m에서 채광면적이 70% 인 경우 수직응력은 3배정도 증가하는 것으로 분석되었다.
- 2) 지보재의 지보압은 Hoek식과 이를 개선한 이인모식이 있는데 강지보재의 높이(hset)는 갱도의 반경(r0)보다 매우 작기 때문에 갱도너비가 4.5 m 이상이 되면 두 식의 차이는 미미하다.
- 3) 지보재에 따른 지보압은 U-29에 의한 지보력이 가장 양호한 것으로 나타났다. 이는 감소율이 GI-beam에 비하여 작았기 때문이지만, 실제 시공과 계측을 통해서 더 정확한 지보력을 평가할 필요가 있다.
- 4) Taylor식에서 지보력은 패널의 암반강도를 증진시키기 때문에 패널의 유지기간은 채수율 35%에서 GI-130은 150일 정도이고 가축성 지보 U-29는 200일 정도로 평가되었다. 따라서 패널필러의 폭이 커지면 패널형성에 따른 채수율은 떨어지나 향후 패널을 후퇴식으로 채굴함으로서 잔존필라를 제외하면 전체적인 채수율은 70~80% 수준이 된다.
- 5) 패널의 유지기간을 Pert 확률분석을 개념적으로 수정하여 Beta-Pert 분포에 적합 시킨 결과 신뢰수준 90%에서 무지보 유지기 간은 8.2~15.6일 정도였다.
- 6) 패널 유지기간에 대한 토네이도 민감도 분석결과 지표면으로부터 심도(H)가 가장 큰 영향변수로 분석되었으며 그 다음으로 패널너비와 패널높이의 영향도가 컸다.
- 7) 패널당 갱도 유지기간을 최대 30일로 가정하면 90% 신뢰수준(최빈값)으로부터 GI-100은 패널 3개, GI-130은 패널 5개, U-29는 패널 10개까지 채광 가능한 것으로 분석되었다.
- 8) 심도별 패널 유지기간을 분석한 결과 U-29는 개발심도 75 m 일 때 약 3년간 유지가 가능하며, 채굴심도 100 m에서 2.2년, 175 m에서 1.3년 정도의 유지가 됨으로 지보간격을 0.5~0.7 m로 줄여서 개발개획을 세우거나, 광산별 개발기간을 2년 이내로 재설계할 필요가 있다.
- GI-130과 U-29에 대하여 시공 후 3년 정도 경과한 시점에서 갱내 지보상태를 확인한 결과, GI-130은 소재의 특성상 발생 변위 량을 육안으로 관찰 패널간의 갱도에 시공한 GI-130의 지보상태는 양호하였으나(Fig. 14), 패널간 교차갱도 지점은 강지보의 중앙연결부에 변형이 발생하여 보갱 등의 작업이 이루어졌다. U-29의 현장 계측관리 기준은 좌, 우 각 20 cm를 슬라이딩 발생 구간으로 규정하고 모니터링을 실시한 결과 3년 이상 관리기준을 충족하였다(Fig.
- Table 7로부터 1개의 패널채광 갱도 유지에 필요한 기간을 최대 30일로 가정하면 최빈값(mode) 기준 90% 신뢰수준으로부터 강지보 간격이 1.0 m일 경우 강지보공 GI-100은 패널 3개(88일), GI-130은 패널 5개(168일), U-29는 패널 10개(301일)까지 연속적으로 채광할 수 있으며, 최소한 채광갱도에서는 패널 5개 정도를 유지하고 개발할 때 GI-100은 적용성이 떨어지는 것으로 분석 되었다.
- 2 이상을 만족하는 것으로 기준을 세웠다. 그 결과 GI-100은 3차 채굴구역(poquiteros)에서 갱도 지보간격을 1.0 m로 적용할 때는 안전율이 1.7로 계산되어 운반갱도로서는 기준치에 미흡한 것으로 분석되었다. 반면 GI-130, U-29의 지보재의 안전율은 3차 채굴구역에서도 3.
- 11 과 같다. 그 결과 지표면으로부터 심도(H)가 가장 큰 영향변수로 분석되었으며 그 다음으로 패널너비(PW)와 패널높이(h)의 영향도가 컸다. 패널간격(WO ,갱도너비)은 거의 일정하며 다른 확률변수에 비하여 민감도가 적은 것으로 분석되었다.
- 6일 정도 패널의 자립이 가능한 것으로 분석되었다. 신뢰수준 90%에서 무지보 유지기간은 8.2~15.6일 정도로 분석되었다. 이러한 짧은 패널의 유지기간으로는 패널채광이 불가능하기 때문에 적절한 기간 동안 패널의 유지를 위하여 강지보를 계획하였다.
- 심도별 갱도 용도에 따른 패널 유지기간을 분석한 결과 강지보 중에서 U-29를 적용하면 개발심도 75 m 일 때 약 3년간 유지가 가능하며, 개발심도 100 m에서 2.2년, 175 m에서 1.3년 정도 유지 가능함으로 지보간격을 0.5~0.7 m정도로 줄여서 개발개획을 세우거나, 광산별 개발기간을 1~2년 정도로 재설계할 필요가 있다.
- 따라서 본 구간의 강지보에 하중계 등을 설치하여 작용하중을 계측하여 필요시 지보간격 등을 재설계할 필요가 있다. 이상으로부터 U-29는 광산 개발기간을 최대 3년으로 계획하였을 때 패널갱도에 적용 가능한 것으로 분석되었다.
- 그 결과 지표면으로부터 심도(H)가 가장 큰 영향변수로 분석되었으며 그 다음으로 패널너비(PW)와 패널높이(h)의 영향도가 컸다. 패널간격(WO ,갱도너비)은 거의 일정하며 다른 확률변수에 비하여 민감도가 적은 것으로 분석되었다.
- Table 9는 심도별 패널 유지기간을 나타낸 것으로 채광갱도의 모든 지보재는 3개월 이상 유지되는 것으로 분석되었다. 패널의 운반갱도는 U-29만 개발심도 75 m 일 때 약 3년간 유지가 가능하며 다른 강지보재는 규정치에 미달하는 것으로 분석되었다.
후속연구
- 따라서 패널갱도 및 크로스 갱도에 설치된 U-29의 연결부 변위량으로 보아 GI-130에도 상당한 하중이 작용하고 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 구간의 강지보에 하중계 등을 설치하여 작용하중을 계측하여 필요시 지보간격 등을 재설계할 필요가 있다. 이상으로부터 U-29는 광산 개발기간을 최대 3년으로 계획하였을 때 패널갱도에 적용 가능한 것으로 분석되었다.
- 7 m정도로 설계하면 개발심도 175 m에서 약 1년 정도 유지되는 것으로 분석되었다. 따라서 향후 개발이 진행되면 심도별 지보시공과 계측을 통해서 지보시스템을 재평가할 필요가 있을 것으로 사료된다.
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