[논문]발파로 인한 노천광산 사면안정성 평가 및 인자분석

김종관

doi:10.7474/tus.2020.30.1.098

초록
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노천채광에서 경제적인 채광을 위한 채광장 형성은 매우 중요하며, 대규모 채광을 위한 발파작업은 사면의 안정성에 영향을 미칠 수 있으므로 이에 대한 고려가 필요하다. 본 연구에서는 사면설계와 발파 조건을 달리하면서 사면 안정성에 미치는 영향 인자의 기여율을 검토하였다. 설계인자는 암반의 물성, 사면각도, 벤치높이이며, 발파 조건은 장약량과 거리를 달리하여 반영하였다. 사면의 안전율은 3차원 모델링을 통해 전단강도감소기법으로 산출하였으며, 기여율은 암반사면의 물성이 94.8%로 다른 설계인자들에 비해 상대적으로 높았으며, 사면각도 0.89%, 벤치높이 0.58%, 발파는 3.73% 정도의 영향을 미치는 것으로 나타나, 사면과 근접거리에서의 발파는 사면의 안정성에 영향을 줄 수 있음을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In surface mining, it is very important to create a mining area for economical mining. This study examined the contribution of design factors on slope stability with different slope design and blasting conditions. The design factors were the properties of the rock, the slope angle and the bench heig...

In surface mining, it is very important to create a mining area for economical mining. This study examined the contribution of design factors on slope stability with different slope design and blasting conditions. The design factors were the properties of the rock, the slope angle and the bench height, and the blasting conditions were reflected at different explosive weight and distances. The safety factor of slope was calculated by shear strength reduction method through 3D modeling, and the contribution rate of rock slope was 94.8%, which is relatively higher than other design factors, slope angle 0.89%, bench height 0.58%, and blasting It is shown that it affects about 3.73%, and it can be seen that blasting at a close distance can affect the stability of the slope.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Examples of typical excavated coal mine slope failure (Alison et al., 2019)
표 Table 1. Rock properties of P coal mine(Choi et al., 2008)
그림 Fig. 2. Total parameters affecting factor-of-safety (Kim et al., 2014)
그림 Fig. 3. Geometry of slope
표 Table 2. Level by design factor
표 Table 3. Properties by rock type
표 Table 4. Orthogonal arrays
그림 Fig. 4. Numerical model
그림 Fig. 5. Detonation pressure by time
그림 Fig. 6. Numerical analysis results
표 Table 5. Safety factor
그림 Fig. 7. Main effect for safety factor
표 Table 6. Analysis of variance

AI 본문요약
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문제 정의

(2017)은 중국의 Daye 철광산에서 갱내 발파로 인해 노천 채광장의 사면에 미치는 영향을 분석하기 위해 발파 진동의 전파를 예측하였으며, 현장 계측자료를 토대로 3차원 수치모델을 제안한 바 있다. 발파가 사면에 미치는 영향은 그간의 연구를 통해 어느 정도 규명이 되었으므로 본 연구에서는 사면설계와 발파 조건을 달리하면서 사면 안정성에 미치는 영향 인자의 기여율(contribution rate)을 검토하고자 한다.

제안 방법

노천채광에서의 발파로 인한 사면에 미치는 영향을 파악하기 위해 연속체 해석법인 GTS NX를 이용하여 3차원 모델링을 실시하 였다. 강건설계의 직교배열표를 이용하여 총 9개의 케이스에 대해 암반사면의 물성, 사면의 각도, 벤치 높이 및 환산거리 등 4가지를 설계인자로 하였으며, 설계인자별 수준은 3가지 수준으로 하였다. 발파의 영향을 살펴보기 위해 장약량과 거리와 관련된 환산거리를 설계인자로 하였으며, 발파 동하중의 추정을 통해 시간에 따른 동압력을 가해지도록 하여 사면에 미치는 발파 영향을 검토하였다.
강건설계의 직교배열표를 이용하여 총 9개의 케이스에 대해 암반사면의 물성, 사면의 각도, 벤치 높이 및 환산거리 등 4가지를 설계인자로 하였으며, 설계인자별 수준은 3가지 수준으로 하였다. 발파의 영향을 살펴보기 위해 장약량과 거리와 관련된 환산거리를 설계인자로 하였으며, 발파 동하중의 추정을 통해 시간에 따른 동압력을 가해지도록 하여 사면에 미치는 발파 영향을 검토하였다.
이러한 인자들은 사면의 안정성을 평가하기 위해 고려할 인자들이다. 설계인자별 사면의 안정성에 미치는 기여율을 산출하기 위하여 사면 전체의 안전율을 특성치로 하여 수치해석을 통해 산출하였다. Fig.

데이터처리

기여율 산출과정은 특성치 값을 이용하여 신호 대 잡음의 비를 계산한 뒤 평균분석(analysis of means, ANOM)을 통해 설계인자별 수준에 따른 편차를 산정하게 된다. 최종적으로 분산분석을 통해 설계인자별 기여율을 산출하였다.

이론/모형

6과 같으며, contour는 발파 이후의 최대 전단응력 값을 나타내고 있다. 안전율은 수치해석으로부터 파악된 전단강도를 토대로 전단강도감소기법(shear strength reduction technique)을 이용하여 산출하였으며, 각 케이스별 안전율은 1.8~4.8이며, 평균 3.09이다(Table 5).
본 연구에서는 연속체 해석법인 마이다스아이티사의 소프트웨어인 GTS NX를 이용하여 해석을 수행하였다. 해석 모델은 Fig. 4 와 같이 가장 하부에서부터 역암층, 망토층, 사암층으로 구성된 임의의 사면으로 하여, Mohr-Coulomb 모델을 적용하였으며, 수치 해석 입력물성은 Table 3과 같으며, Table 4의 직교배열표에 의해 총 9번의 수치해석을 실시하였다.
유한요소법(FEM)이나 유한차분법(FDM)을 이용하는 연속체 해석은 불연속면을 implicit하게 고려하여 암반을 균질한 연속체로 간주하고 해석하는 방법이며, 불연속체 해석은 불연속면을 explicit하게 고려하여 암반을 블록으로 된 불연속체로 간주하여 평가하는 방법이다. 본 연구에서는 연속체 해석법인 마이다스아이티사의 소프트웨어인 GTS NX를 이용하여 해석을 수행하였다. 해석 모델은 Fig.

성능/효과

09로 나타났다. 기여율은 암반사면의 물성이 94.8%로 다른 설계인자들에 비해 상대적으로 높았으며, 사면각도 0.89%, 벤치높이 0.58%, 발파는 3.73% 정도의 영향을 미치는 것으로 나타나, 사면과 근접거리에서의 발파는 사면의 안정성에 영향을 줄 수 있음을 알 수 있다. 또한 안전율에 대한 설계인자별 주효과도를 보면, 암반의 강성도가 높을수록, 사면경사 및 벤치높이가 낮을수록, 환산거리계수가 높을수록 안전율이 높게 나타나는 것으로 분석되었다.
73% 정도의 영향을 미치는 것으로 나타나, 사면과 근접거리에서의 발파는 사면의 안정성에 영향을 줄 수 있음을 알 수 있다. 또한 안전율에 대한 설계인자별 주효과도를 보면, 암반의 강성도가 높을수록, 사면경사 및 벤치높이가 낮을수록, 환산거리계수가 높을수록 안전율이 높게 나타나는 것으로 분석되었다.

후속연구

본 연구에서는 많은 케이스를 고려하지는 못하였으나, 발파로 인해 사면안정에 어느 정도 영향을 줄 수 있음을 파악하였으며, 향후 사면안정과 관련한 다른 설계인자들을 고려하면 좀 더 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	설계인자의 구성은 무엇인가?	본 연구에서는 사면설계와 발파 조건을 달리하면서 사면 안정성에 미치는 영향 인자의 기여율을 검토하였다. 설계인자는 암반의 물성, 사면각도, 벤치높이이며, 발파 조건은 장약량과 거리를 달리하여 반영하였다. 사면의 안전율은 3차원 모델링을 통해 전단강도감소기법으로 산출하였으며, 기여율은 암반사면의 물성이 94.
	노천채광에서 채광장 형성이 중요한 이유?	노천채광에서 경제적인 채광을 위한 채광장 형성은 매우 중요하며, 대규모 채광을 위한 발파작업은 사면의 안정성에 영향을 미칠 수 있으므로 이에 대한 고려가 필요하다. 본 연구에서는 사면설계와 발파 조건을 달리하면서 사면 안정성에 미치는 영향 인자의 기여율을 검토하였다.

참고문헌 (12)

Alison M., C. Ismet, J. Oh, 2019, Methods applied in Australian industry to evaluate coal mine slope stability, International Journal of Mining Science and Technology, In press, corrected proof, Available online.
Choi, B.H., C.H. Ryu, C. S. and Y.B. Jung, 2008, Establishment of a safe blasting guideline for pit slopes in Pasir coal mine, Journal of Korean Society for Rock Mechanics, Vol.18, No.6, pp.418-426.
Eades, R.Q. and K. Perry, 2019, Understanding the connection between blasting and highwall stability, International Journal of Mining Science and Technology, Vol.29, pp.99-103.

상세보기
Huihui, Z., T. Li, J. Shen, C. Xu, H. Sun and Q. Lu, 2018, The effects of blast damage zone thickness on rock slope stability, Engineering Geology, Vol.246, pp.19-27.

상세보기
Jiang, N., C. Zhou, S. Lu and Z. Zhang, 2017, Propagation and prediction of blasting vibration on slope in an open pit during underground mining, Vol.70, pp.409-421.

상세보기
KIGAM, A study on the improvement of productivity and slope stability of weak rock in large scale open pit coal mine, 2009.
Kim, B.R, S.J. Lee and S.O. Choi, 2018, A Study on the stability analysis of underground limestone openings using the measurement vibration waveform, Journal of Korean Society for Rock Mechanics, Vol.28, No.5, pp.457-475.
Kim, H.S., H.S. Yang, G.T. Lim, T.J. Jeon and C.B. Jeong, 1992, Quality engineering using robust design, Minyoungsa, 343p.
Kim, J.S., S.K. Kwon, D.S. Cheon and E.S. Park, 2014, Assessment of rock slope stability and factor analysis with a consideration of a damaged zone, Journal of Korean Society for Rock Mechanics, Vol.24, No.3, pp.187-200.
National Highway Institute, 1991, U.S. government printing office, Rock blasting and overbreak control, 5.
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You, G.S, 1997, Design of experiments using tables fo orthogonal arrays and analysis of SN, Hanyang University, 14p.

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