[논문]광산 채굴적으로 인한 지반침하 조사 및 해석 사례

박현배; 문성우; 주세정; 이정음; 서용석

doi:10.9720/kseg.2024.1.001

광산 채굴적으로 인한 지반침하 조사 및 해석 사례
Survey and Numerical Analysis Cases of Ground Subsidence by Mine Goaf 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.34 no.1, 2024년, pp.1 - 12

박현배 (세진이엔시) , 문성우 (충북대학교 지구환경과학과) , 주세정 (충북대학교 지구환경과학과) , 이정음 (충북대학교 지구환경과학과) , 서용석 (충북대학교 지구환경과학과)

초록
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우리나라는 1980년까지 광물 지하자원 개발을 활발히 수행하였으나 이후 생산원가 대비 사업성이 크게 줄어들면서 많은 수의 폐광산이 발생되었다. 그 중 대부분은 광산개발 중단 후 오랜 시간이 지나 잔류성 침하가 발생할 가능성이 높은 상태에 있다. 하지만 그 발생 시기와 위치를 정확히 예측하기는 어려움이 있다. 따라서, 본 연구에서는 실제 지반침하가 발생한 사례를 분석하여 연속체 수치해석을 통해 지반침하의 발생 위치나 규모에 대한 예측 가능성을 살펴보고자 한다. 연구지역은 양산단층과 모량단층 사이에 위치하여 이들에 규제받는 ○○광산 지역이며, 이 지역에서는 2005~2009년에 걸쳐 3회의 지반침하가 발생된 바 있다. 지반침하지를 대상으로 시추조사 및 전기비저항 탐사를 수행하여 지층의 분포를 파악하였고, 실내시험을 통해 수치해석 시 적용되는 지반의 물리·역학적 특성을 파악하였다. 수치해석 결과 소성영역이 실제 지반침하 범위를 포함하는 형태로 나타나 연속체 해석으로도 채굴적에 의한 침하지 발생 위치 및 규모를 예측하는데 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

South Korea's mining industry was actively developed until 1980, but subsequent declining profitability forced many mines to close. Most of the abandoned mines are susceptible to persistent subsidence because of the length of time since mining ceased. Accurate prediction of the locations and times of subsidence is difficult; therefore, this study aims to apply continuum analysis to past cases of subsidence to establish a method of predicting the location and magnitude of future subsidence. The study area is an area of ○○ mining located between the Yangsan fault zone and the Moryang fault zone, in which three subsidence events occurred between 2005 and 2009. Drilling surveys and electrical resistivity surveys were performed at subsidence sites determined the distribution of strata, and through laboratory tests obtained the physico-mechanical properties of the rock. Numerical analysis of the results found that the plastic status area includes the areas of actual subsidence and that continuum analysis can also be used to predict the location and magnitude of subsidence caused by mine goaf.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1. Geological map of the study area where field surveys and sampling were conducted at four subsidence points (modified from Lee and Kim, 1964).
그림 Fig. 2. Locations of subsidence areas near the OO mine.
그림 Fig. 3. Photographs of areas of subsidence caused by goaf of the OO mine.
그림 Fig. 4. Resistivity survey lines near the OO mine.
표 Table 1. Magnitude of subsidence near the OO mine
그림 Fig. 5. Results of resistivity surveys near the OO mine.
표 Table 2. Summary of resistivity surveys near the OO mine
그림 Fig. 6. Locations of drilling survey sites near the 00 mine.
표 Table 3. Characteristics of drilling surveys near the OO mine
그림 Fig. 7. Rock quality designation (RQD) and cavities for boreholes B-1 to B-8.
표 Table 4. Results of drilling surveys near the OO mine
그림 Fig. 8. Image of a cavity (depth 34.9-39.7 m) in the B-6 borehole from Bl PS logging.
표 Table 5. Measured physical properties and uniaxial compressive strength (UCS)
표 Table 6. Results oftriaxial compressive tests
그림 Fig. 9. Map showing the locations of cross sections for studying subsidence and mining distribution.
표 Table 7. Input data for numerical analysis
그림 Fig.10. Cross sections showing subsidence and mining distribution.
그림 Fig. 11. Analysis results for subsidence caused by mining goaf. Blue points means plastic status areas.
표 Table 8. Magnitude of subsidence near the OO mine

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 광산 채굴적으로 인한 지반침하에 대해서 지질조사를 수행하고, 수치해석을 수행함으로써 채굴적과 지반침하의 관련성을 분석하고자 하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

(3) 채굴적에 의한 침하를 수치해석으로 구현하기 위해 실내시험(기본 물성시험, 일축압축시험, 삼축압축시험)을 수행하여 지층의 입력물성(단위중량, 내부마찰각, 점착력, 탄성계수, 포아송비)을 획득하였다.
Fig. 11은 각 단면별 해석결과를 소성상태 분포도로 나타낸 것이며, 이 프로그램에서 소성상태란 지층의 탄성구간을 넘어 영구변형이 나타나는 구간으로써 채굴적에 의한 지반침하는 영구적인 변형이 남게되므로 소성상태 분포도를 통해 지반침하의 발생 범위 및 위치를 분석하고자 하였다. 소성상태는 지층의 좌우 경계부에서도 나타나게 되므로 침하지와의 비교를 위해 채굴적의 천단부만 나타나도록 표시하였다.
본 연구에서는 Fig. 9와 같이 4개의 횡단면도 측선에 대하여 해석을 진행하였으며, 각 횡단면도의 지층구성, 채굴적 및 침하지 분포는 전기비저항 탐사, 시추조사 및 야외지질조사 결과를 반영하여 작성되었다(Fig. 10).
일반적으로 전기비저항 결과에서 저비저항대는 함수비가 높은 점성토 등의 퇴적물 및 풍화대, 염수 및 지하수의 대수층, 석탄광의 탄층과 흑연 및 철 등의 전도성이 양호한 광물의 광맥 등에서 나타나며, 고비저항대는 지하수면보다 상부에 위치한 공동, 또는 함수비가 낮은 모래, 자갈, 전석층, 화성암, 변성암 및 석회암 등에서 나타난다. 따라서, 갱도와 채굴적으로 인한 침하의 관련성을 파악하기 위해 전기비저항 탐사를 수행하였으며, 본 연구지역에서는 전극간격을 5 m로 825 m 구간(3개 측선)에 대해 전기비저항 탐사를 수행하였다(Fig. 4).
본 연구에서는 채굴적으로 인해 발생된 3회의 지반 침하를 대상으로 지표지질조사, 현장조사 및 수치해석을 진행하고자 한다(Fig. 2).
일반적으로 연속체 해석으로는 함몰형 침하를 평가하기는 어려우나 본 연구에서는 단순히 변위 비교분석이 아닌 소성상태(영구변위가 발생될 수 있는 영역) 범위를 분석하여 지반침하와 상관성을 비교하고자 한다. 이를 위해 ○○광산 채굴적에 의한 지반침하를 대상으로 시추조사, 전기비저항탐사 등 현장시험을 통해 지층구성, 채굴적 현황 등을 분석하였으며, 2차원 연속체 수치해석으로 구현함으로써 채굴적과 지반침하의 관련성을 설명하고자 한다.
일반적으로 연속체 해석으로는 함몰형 침하를 평가하기는 어려우나 본 연구에서는 단순히 변위 비교분석이 아닌 소성상태(영구변위가 발생될 수 있는 영역) 범위를 분석하여 지반침하와 상관성을 비교하고자 한다. 이를 위해 ○○광산 채굴적에 의한 지반침하를 대상으로 시추조사, 전기비저항탐사 등 현장시험을 통해 지층구성, 채굴적 현황 등을 분석하였으며, 2차원 연속체 수치해석으로 구현함으로써 채굴적과 지반침하의 관련성을 설명하고자 한다.
암석의 물리 ‧ 역학적 특성을 파악하고, 추후 수치해석 시 적용하기 위해 회수된 코어를 대상으로 실내 암석시험을 수행하였다. 측정 대상항목은 단위중량, 탄성계수 및 포아송비, 내부마찰각 및 점착력이며, 이를 위해 기본 물성시험, 일축압축시험, 삼축압축시험을 진행하였다.

대상 데이터

(1) 연구지역은 경상누층군 유천층군의 안산암류가 분포하는 지역으로, ○○광산에서의 채굴로 인해 2005~2009년에 걸쳐총3회의 지반침하가 발생하였다. 지반침하의 규모는 위치에 따라 길이 3~25 m, 폭 2~8 m, 깊이 1.
5 m부터 최대 12 m까지 나타난다(Table 4). 기반암층은 안산암으로 구성되어 있으며 강도와 회수율(TCR), 암질지수(RQD)를 기준으로 풍화암, 연암/보통암, 경암으로 구분하였다. 풍화암은 층후가 1~3 m이며, 연암/보통암은 1.
(2) 현장조사는 전기비저항탐사와 시추조사를 수행하였으며, 전기비저항 탐사에서 갱도주변은 광체 및 채굴적 영향을 받아 저비저항대로 나타나는 특징을 보인다. 시추조사는 총 8개소에서 수행되었으며, 표토층, 풍화암층, 연암층, 경암층으로 구성되어 있으나 침하가 발생한 주변의 시추공에서는 풍화암층이 얇거나 존재하지 않아 해석 단면에서는 표토층, 연암층, 경암층으로 구성되었다. 또한, B-1, 2, 4, 5, 6번 공에서는 수 m의 공동이 나타나 갱도가 분포하는 것을 확인하였다.
암석의 물리 ‧ 역학적 특성을 파악하고, 추후 수치해석 시 적용하기 위해 회수된 코어를 대상으로 실내 암석시험을 수행하였다. 측정 대상항목은 단위중량, 탄성계수 및 포아송비, 내부마찰각 및 점착력이며, 이를 위해 기본 물성시험, 일축압축시험, 삼축압축시험을 진행하였다.
연구지역의 지층구조 뿐만 아니라 침하지 및 지하갱도의 위치와 규모를 파악하기 위해 총 8개소에서 시추조사가 진행되었으며, 7개소에서는 수직 시추조사를 진행하고 1개소에서는 경사(75°) 시추를 수행하였다

데이터처리

채굴적에 의한 지반침하를 모사하기 위해 MIDAS 社의 MIDAS GTS/NX 프로그램을 사용하였다. 이 프로그램은 유한요소해석법(FEM)을 적용하고 있는 연속체 지반해석 모듈로서 결과물로 변위, 응력, 소성영역 등을 도출할 수 있으나 연속체 해석법의 경우 함몰형 침하의 형태를 변위로 파악하기는 어려워 소성영역을 이용하였다.

이론/모형

10). 이를 대상으로 2차원 모델링을 구성하였으며, Mohr-Coulomb 파괴 기준에 의한 탄소성 해석 기반으로 앞서 실험으로 획득한 물성값을 적용하였다.

성능/효과

(4) 4개의 단면을 설정하여 연속체 해석을 수행한 결과, 수치해석 결과에서 실제 침하지 보다 폭이 4~8 m, 깊이가 같거나 최대 2.5 m 더 크게 분포하는 것으로 나타나 소성영역이 실제 지반침하 범위를 포함하는 형태로 분석된다. 또한, 2차원 단면 해석에서 침하지와 소성영역은 수직갱의 직상부에서만 나타나 횡갱의 영향은 미미한 것으로 분석되며, 상대적으로 연약한 토층 및 연암층이 두꺼운 경우 소성영역도 깊게 발달하는 경향을 보인다.
실제 침하지와 수치해석 상 소성상태 분포의 폭과 깊이를 비교한 결과(Table 8), 수치해석 결과에서 폭이 4~8 m, 깊이가 같거나 최대 2.5 m 더 크게 분포하는 것으로 나타나 소성영역이 실제 지반침하 범위를 포괄하는 형태로 분석된다. 또한, Fig.
제2침하지는 2009년 7월 장마기간 중에 사면 소단에서 발생하였으며, 제3침하지는 2007년 정밀조사 중 발견된 것으로 주변에 수풀이 우거져서 정확한 발생 시기는 확인되지 않는다. 제1 및 제2침하지는 지하 광산의 최상부 갱인 0갱에 영향을 받은 것으로 파악되며, 제3침하지는 0갱과 1갱이 교차하는 크로스갱의 영향을 받은 것으로 확인된다. Fig.

후속연구

본 연구의 결과는 채굴적으로 인한 지반침하 조사 및 해석 사례를 소개함과 동시에 연속체 해석으로도 채굴적에 의한 침하지 발생 위치 및 규모를 예측하는데 활용할 수 있는 가능성을 제시하고 있다. 다양한 공동 형상 및 분포, 3차원 해석 등을 통해 추가적인 사례분석을 수행한다면 광해 평가 시 연속체 해석의 적용성을 더욱 높일 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구의 결과는 채굴적으로 인한 지반침하 조사 및 해석 사례를 소개함과 동시에 연속체 해석으로도 채굴적에 의한 침하지 발생 위치 및 규모를 예측하는데 활용할 수 있는 가능성을 제시하고 있다. 다양한 공동 형상 및 분포, 3차원 해석 등을 통해 추가적인 사례분석을 수행한다면 광해 평가 시 연속체 해석의 적용성을 더욱 높일 수 있을 것으로 기대된다.
11에서 보이는 바와 같이 2차원 단면 해석에서 침하지와 소성영역은 수직갱의 직상부에서만 나타나 횡갱의 영향은 미미한 것으로 분석되며, 상대적으로 연약한 토층 및 연암층이 두꺼운 경우 소성영역도 깊게 발달하는 경향을 보인다. 이러한 경향은 연속체 해석을 채굴적에 의한 침하지 발생 위치 및 규모를 예측하는데 활용할 수 있는 가능성을 제시하고 있다.

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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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