[논문]석회석 광산에서 발생한 지반침하에 대한 원인 분석 연구

이상은; 정교철

doi:10.9720/kseg.2020.4.497

석회석 광산에서 발생한 지반침하에 대한 원인 분석 연구
A Study on the Cause Analysis of the Ground Subsidence in Limestone Mine 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.30 no.4, 2020년, pp.497 - 514

이상은 (강원대학교 에너지공학부) , 정교철 (안동대학교 지구환경과학과)

초록
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본 연구는 강원도 삼척시 소재의 삼도 석회석광산에서 발생한 채굴공동 상부의 대규모 지반침하지를 대상으로 그 발생원인을 규명하는데 있다. 현장에서 채광, 측량도면 및 지질도 등을 토대로 지반침하지 인근의 갱도 및 산사면 붕괴지에 대한 지질조사 및 전기비저항탐사를 수행하였으며, 그 결과들로부터 지질공학적 평가를 수행하고 다양한 경험식과 수치해석 방법에 의해 지반침하의 원인을 분석하였다. 해석 결과로부터 다양한 불연속면이 발달한 불안정한 지반 내에서 채굴공동의 폭이 넓고 불규칙한 Pillar 설치로 인하여 오랜 기간 동안 채굴적 천단부 및 Pillar가 점진적으로 이완되면서 지반응력의 증가로 단층면을 따라 붕락되어 지반침하가 발생된 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the causes of large-scale ground subsidence in the upper part of mining cavities of the Samdo limestone mine, Samcheok city, Gangwondo, Korea. Geological and electrical resistivity surveys were undertaken on the collapsed slope of the mountain and in the mine tunnel where subsidence occurred, with geotechnical evaluations and numerical analysis. It is concluded that wide mining cavities, with irregular pillars in unstable rock masses hosting discontinuities, weathered over time, resulting in subsidence occurring along a fault plane due to increasing ground stress.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Map of the study area.
그림 Fig. 2. Photographic view of the subsidence area.
그림 Fig. 3. 2D resistivity images for each of the survey lines of Fig. 1.
그림 Fig. 4. View of the fault zone.
표 Table 1. Representative rock-joint survey results, Site 1
표 Table 2. Representative rock-joint survey results, Site 5
표 Table 3. Physical properties of rock
표 Table 4. Results of joint shear test
표 Table 5. Rock-mass classification by RMR, Site 1
표 Table 6. Physical properties of rock mass applied in numerical analysis
표 Table 7. Maximum height of collapse calculated from failure modes and bulking factors
그림 Fig. 5. Shape of mining cavities and pillars at 2nd level.
그림 Fig. 6. Stereonet projection of discontinuities observed in the field.
그림 Fig. 7. Analysis results for the key block in excavation direction of N25E.
그림 Fig. 8. Representative cross-section and displacement measurement points applied in numerical analysis.
그림 Fig. 9. Results of continuum modeling based on FEM.
그림 Fig. 10. Results of discontinuity modeling based on DEM.
그림 Fig. 11. Comparison of vertical displacements at each surface measurement point.

AI 본문요약
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문제 정의

노두조사의 목적은 암종 분포현황 및 암종별 특성과 불연속면의 특성, 즉 방향성, 절리간격, 연장성, 거칠기, 강도, 틈새,충진 물질, 지하수 용출상태, 절리군의 수, 암괴의 크기 등을 알아보는데 있다. 또한 지반침하에 영향을 미치는 지질구조,즉 단층, 습곡, 연약대 및 지하수 분포 등을 파악하는데 있다.
본 연구에서는 침하의 상태를 확인하기 위한 붕괴지 육안조사, 침하지역의 지반상태 및 이완영역 등의 확인을 위한 전기비저항탐사, 광산 갱도내 ‧ 외의 불연속면 분포상태를 알아보기 위한 지질조사를 수행하였다.

제안 방법

본 연구에서는 연속체 및 불연속체에 대한 수치해석을 실시하여 채굴에 따라 발생되는 주변 지반의 변형상태를 파악하고 채굴 갱도의 안정성을 분석하였다. 연속체에 대한 수치해석 프로그램은 유한요소법인 MIDAS GTS를 이용하였다.
암석의 실내시험으로부터 구한 일축압축강도, 탄성계수 및 절리면의 강도정수인 점착력과 마찰각, 그리고 현장조사로부터 구한 불연속면들의 특성과 RMR 암반분류 결과를 토대로 안정성 해석을 위해 다양한 경험식을 적용하고 연속체 및불연속체 수치해석을 수행하였다. 응력-아치 이론인 체적팽창계수를 도입하여 붕락고를 분석한 결과, 지표면까지 붕락고가 미치지 않으므로 지반침하는 지반내에 발달한 지질적 취약구조에 기인하는 것으로 판단하였다.
현장 1편의 Site-3 지점 및 싱크홀이 발생한 지점에서 채취한 석회암 및 점판암의 암괴로부터 코어링을 실시하여 얻어진 코어를 이용하여 암석의 물리 ‧ 역학적 시험을 수행하였다. 암석의 물성은 각각 5회씩 수행하였으며, 그 결과는 Table 3과 같다.
본 연구는 강원도 삼척시 소재의 삼도 석회석 광산에서 1편 및 2편의 채굴적 상부 지반침하로 인한 함몰 및 산사면 붕괴지를 대상으로 한다. 현장에서 채광, 측량도면 및 지질도 등을 토대로 함몰지 인근의 갱도 및 산사면 붕괴지에 대한 지질조사 및 전기비저항탐사를 수행하였으며, 그 결과들을 토대로 지질공학적 평가를 수행하고 다양한 해석방법에 의해 지반침하의 원인을 분석하였다.

대상 데이터

갱외조사: Fig. 1과 같이 붕괴 발생지점 인근의 도로변 절취면의 노두 4개소(Site-5~8)와 침하지 4개소(Site-9~12)에서 조사를 수행하였으며, Site-5의 조사결과를 나타내면 Table 2와 같다. Site-5 조사결과 경사/경사방향이 25/292, 85/072,87/068의 3개 절리군과 저각의 층리, Site-6은 경사/경사방향이 15/292, 87/054, 55/128의 3개 절리군과 저각의 층리가 발달하고 있으며, Fig.
갱내조사: Fig. 1과 같이 채굴이 이루어진 광산의 갱도 내에서 4개소(Site-1~4)의 노두조사를 수행하였다. Site-1에서의조사 결과를 나타내면 Table 1과 같다.
채굴적 상부 붕괴지점과 지질학적 이상대가 예상되는 지점에서 암반내 이완 영역을 파악하기 위하여 Fig. 1과 같이 총3측선의 전기비저항탐사를 실시하였으며, 총 연장은 360 m이다. 싱크홀이 발생한 지점을 중심으로 탐사계획을 수립하였으나, 지형경사가 40° 이상으로 심하고 수목이 우거져 있어 탐사가 거의 불가능하므로 싱크홀이 발생한 지점의 하부에서탐사를 수행하였으며, 그 결과는 Fig.
본 연구는 강원도 삼척시 소재의 삼도 석회석 광산에서 1편 및 2편의 채굴적 상부 지반침하로 인한 함몰 및 산사면 붕괴지를 대상으로 한다. 현장에서 채광, 측량도면 및 지질도 등을 토대로 함몰지 인근의 갱도 및 산사면 붕괴지에 대한 지질조사 및 전기비저항탐사를 수행하였으며, 그 결과들을 토대로 지질공학적 평가를 수행하고 다양한 해석방법에 의해 지반침하의 원인을 분석하였다.
조사 대상 광산은 제철 용도로 사용되고 있는 고품위 석회석을 대상으로 주방식 채광법(room and pillar mining method)이 이루어지고 있는 가행광산이다. 이 광산의 총 석회석 매장량은 111백만 톤이고 연간 약 120만 톤의 광물을 생산하고 있다.

이론/모형

본 연구에서는 연속체 및 불연속체에 대한 수치해석을 실시하여 채굴에 따라 발생되는 주변 지반의 변형상태를 파악하고 채굴 갱도의 안정성을 분석하였다. 연속체에 대한 수치해석 프로그램은 유한요소법인 MIDAS GTS를 이용하였다.

성능/효과

갱내 4개소 지점에서 노두조사를 실시한 결과, 갱내에 북동 방향을 갖는 점토 충전이 되어 있는 고각의 단층대 및 염기성 암맥이 다수 관찰되고, 절리 등의 불연속면 발달로 인하여 파쇄가 심한 상태이며, 이들 단층들은 지질도의 단층선과 거의 일치하는 것을 확인하였다. 또한 갱외 붕괴지 인근에서 노두조사 및 전기비저항탐사를 수행한 결과, 관찰된 단층은 붕괴지의 인장균열면 중앙을 통과하는 지질도 상의 단층면과 일치하며, 전기비저항탐사의 저비저항 이상대로부터 이 단층선을 확인할 수 있었다.
갱내 ‧ 외 노두조사로부터 불연속면들의 특성을 파악하였으며, 관찰된 지질적 취약구조인 단층대는 지질도 상에 표현된단층대와 일치하며, 또한 산사면 붕괴지 인근에서 실시한 전기비저항 탐사 결과의 저비저항 이상대로부터 단층대 및 지반이완대를 확인하였다. 한계평형법 및 Key block 해석에서는 채굴공동의 붕락, Pillar에 작용하는 연직응력과 강도로부터 안정성을 평가한 결과와 불연속체 수치해석으로부터 얻어진 결과로부터 Pillar의 파괴, 그리고 연속체 수치해석의 결과로부터 지질적 취약구조인 단층면을 따라 상부로의 파괴가 지반침하를 일으키는 원인으로 분석되었다.
이 지역에 적용된 주방식 채광법은 붕락식 채광법과는 다르게 지반침하 발생을 일으키지 않는 채굴방법이나, 채굴 당시지반조사 결과를 반영하지 않고 심도있는 설계 없이 채광작업이 이루어진 관계로 불규칙한 Pillar의 설치와 과도한 채굴에따른 응력 불균형에 의해 지반침하가 발생한 현상으로 이해된다. 다양한 경험식 및 수치해석 등의 결과를 종합한 결과, 해당지역에서 발생한 지반침하의 원인은 Pillar의 파괴뿐만 아니라 오랜 시간 동안 주변 암반에 발달한 단층 및 암맥, 다수의 절리면 등의 풍화 및 이완으로 지반이 연약해짐에 따라 지반응력의 증가로 채굴공동의 붕락과 아울러 단층면을 따라 미끄러지면서 지반침하가 발생된 것으로 판단되었다.
따라서 채굴당시 갱내 막장관찰을 통해 불연속면들의 발달상황을 조사하고 쐐기파괴가 발생하지 않도록록볼트나 숏크리트 등의 보강이 필요한 것으로 판단하였다. 불규칙한 형상을 갖는 Pillar에 작용하는 연직응력과 최소주응력을 고려하는 전체 암반강도를 도입하여 Pillar의 안정성을 평가한 결과, Pillar가 지지해야 하는 하중을 받는 면적에 비해 Pillar의 면적이 상당히 부족한 것으로 나타났다. 지반의 하중을 지지하여야 하는 Pillar의 파괴는 지반침하의 직접적인 원인이 되므로 채광설계 단계에서 지반조건을 고려한 심층적인 분석이 우선적으로이루어져야 하며, 계획적인 채굴을 통해 적정 Pillar를 확보하는 것이 중요한 것으로 판단된다.
암석의 실내시험으로부터 구한 일축압축강도, 탄성계수 및 절리면의 강도정수인 점착력과 마찰각, 그리고 현장조사로부터 구한 불연속면들의 특성과 RMR 암반분류 결과를 토대로 안정성 해석을 위해 다양한 경험식을 적용하고 연속체 및불연속체 수치해석을 수행하였다. 응력-아치 이론인 체적팽창계수를 도입하여 붕락고를 분석한 결과, 지표면까지 붕락고가 미치지 않으므로 지반침하는 지반내에 발달한 지질적 취약구조에 기인하는 것으로 판단하였다. 지반내 채굴공동의 인자와 지하수를 고려한 한계평형법에 의한 안전율 계산 결과, 측압계수에 따라 안전율이 기준 안전율2.
갱내 ‧ 외 노두조사로부터 불연속면들의 특성을 파악하였으며, 관찰된 지질적 취약구조인 단층대는 지질도 상에 표현된단층대와 일치하며, 또한 산사면 붕괴지 인근에서 실시한 전기비저항 탐사 결과의 저비저항 이상대로부터 단층대 및 지반이완대를 확인하였다. 한계평형법 및 Key block 해석에서는 채굴공동의 붕락, Pillar에 작용하는 연직응력과 강도로부터 안정성을 평가한 결과와 불연속체 수치해석으로부터 얻어진 결과로부터 Pillar의 파괴, 그리고 연속체 수치해석의 결과로부터 지질적 취약구조인 단층면을 따라 상부로의 파괴가 지반침하를 일으키는 원인으로 분석되었다. 현재 채광이 종료된 후 지반침하가 발생되어 그 원인을 다양한 방법에 의해 분석하였지만, 지반침하가 발생하게 된 근본적 원인을 유추하여보면, 광산을 개설할 당시부터 충분한 조사와 안정성 평가 없이 채광이 이루어졌고, 광물 생산에만 초점이 맞추어져 있어서 남겨진 Pillar를 재채굴하고 계획적인 채굴이 이루어지지 않았기 때문으로 생각된다.

후속연구

연구결과를 토대로 이 대상지역은 과도한 굴착으로 인한 대규모 채굴공동의 존재, 단층, 염기성 암맥 및 다수의 절리 등의 발달에 따른 지질구조적 취약성, 채광 후 장기간 방치에 따른 지반의 연약화 등의 복합적인 요인에 의해 지반침하가 발생된 것으로 판단되나, 지반붕괴에 의한 이완 현상으로 다른 인접 채굴공동에서 추가적인 파괴가 발생할 가능성이 있으므로 지반의 안정화를 위한 대책 방안을 조속히 수립하여야 할 것이다.
이것은 소성영역이 분포하는 지역이 너무 인접하여 채굴공동을 형성하였기 때문에 나타난 현상으로 이해되며, 채굴공동의 모서리에 응력이 집중됨으로서 모서리 부분에서 파괴가 진행된다면 Pillar가 파괴되는 결과를 초래할 수 있다. 이 결과로부터 채굴공동이 너무 인접하여 형성하게 되면 Pillar의 폭이 작게 됨으로서 Pillar가 파괴되는 결과를 초래할 수 있으므로 안정성 분석을 통해 계획적인 채굴이 이루어지도록 하여야 할 것이다.
현재 채광이 종료된 후 지반침하가 발생되어 그 원인을 다양한 방법에 의해 분석하였지만, 지반침하가 발생하게 된 근본적 원인을 유추하여보면, 광산을 개설할 당시부터 충분한 조사와 안정성 평가 없이 채광이 이루어졌고, 광물 생산에만 초점이 맞추어져 있어서 남겨진 Pillar를 재채굴하고 계획적인 채굴이 이루어지지 않았기 때문으로 생각된다. 이러한 문제를 보완하기 위해서는 광산 개설시나 채광 도중에도 지반의 변화가 있을 경우 지질조사 및 안정성 평가 등을 통하여 적정 채광설계가 이루어질 수 있도록 광업법 등에 제도적인 장치를 마련하는 것이 중요할 것으로 생각된다.

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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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