1. 서론
2. 현장개요
3. LIDAR를 활용한 채광장의 3차원 측량
3.1 LIDAR의 측정 원리
3.2 측량작업 및 점군 데이터 정합
3.3 측량결과 분석
4. 채광장의 안정성 분석을 위한 전산해석
4.1 전산해석 모델
4.2 전산해석 결과
5. 고찰 및 토의
6. 결론
1. 서론
최근 전 세계적으로 광물자원의 자주개발에 대한 관심이 높아지고 있으며, 국내에서도 해외자원개발뿐만 아니라 휴폐광산의 재개광과 가행광산의 채수율 향상 및 고품위 광체의 선택적 채광을 위한 채광기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 채광기술 개발을 위해서는 채광작업의 효율성의 극대화 및 생산성 증가를 위한 기술개발이 필요함과 동시에 지반침하와 같은 광해를 사전에 예방할 수 있는 광산의 안전관리 기술이 필요하다.
광산의 안전관리를 위한 안정성을 평가방법에는 암반분류에 의한 암반평가와 경험식을 이용한 안전율 분석, 센서를 활용한 계측 방법, 전산해석 등이 있으며, 최근에는 광학기술의 발달과 광학기기의 경량화로 인하여 3차원 레이저 스캐너와 입체사진측량과 같은 3차원 측량기법을 활용한 안전관리 기술이 광업 분야에 도입되어 활발하게 이용되고 있다.
3차원 레이저 스캐너인 LIDAR(Light Detection And Ranging)는 빛을 방출하고 반사되어 돌아오는 빛을 측정하는 측량장비로서, 현장에서 빠르고 손쉽게 3차원 공간좌표 취득이 용이하기 때문에 토목, 건축, 항공기, 선박, 고고학, 지질학, 게임, 영화 등 여러 분야에서 폭 넓게 활용되고 있다. 암반공학 분야에서 LIDAR는 절리면 거칠기 평가(Cai et al., 2004, 2007, Abellán et al., 2014, Lee and Jeon, 2017), 절리면 추출(Kim and Kemeny, 2009, Oh, 2011, Park et al., 2015), 절리면의 방향성 분석(Lee and Jeon, 2016), 사면의 안정성 분석(Oppikofer et al., 2009, Kasperski et al., 2010), 낙석 및 토플링(Rosser et al., 2005, Abellan et al., 2009), 발파 여굴분석(Lee et al., 2006, Lee et al., 2016) 등의 연구에 활용되어 왔으며, 앞으로도 정량적 분석이 요구되는 연구 분야에서 그 활용도는 더욱 증가할 것이다.
본 연구에서는 주방식 하이브리드 채광법(hybrid room and pillar mining method)이 적용되고 있는 광산에 대하여 LIDAR로 시험영역의 채광장을 측량하였으며, 이로부터 취득한 점군(point cloud) 자료를 활용하여 수직 안전광주의 단면 분석과 3차원 전산해석에 직접 활용하여 채광장에 대한 안정성 분석을 수행하였다.
2. 현장개요
본 연구의 대상광산은 대성MDI 동해사업소로서, 대평지구의 Lv540 채광장을 중심으로 수평단면 50 m × 50 m의 시험영역(test bed)을 형성하고, 주방식 하이브리드 채광법으로 채광작업을 수행하고 있다. 주방식 하이브리드 채광법은 수평 안전광주나 수직 안전광주의 일부를 채광장의 안정성이 확보되는 범위 내에서 회수함으로써 광체의 채수율을 극대화하는 방법이다. 본 채광법은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 갱도를 형성하는 단계(Fig. 1(a)), 상부 채굴부의 채굴단계(Fig. 1(b)), 중앙 채굴부의 채굴단계(Fig. 1(c)), 상부 채굴부의 추가 채굴단계(Fig. 1(d)), 하부 채굴부의 채굴단계(Fig. 1(e)), 하부 채굴부의 추가 채굴단계(Fig. 1(f)) 순으로 이루어지며, 현장 상황에 따라 광주의 안정성을 고려하면서 채굴순서를 변경하여 적용하는 채광법이다(Kim et al., 2015). 이 채광법으로 채광작업시, 대규모 수직 안전광주와 채광장의 안정성을 확보하기 위해서는 수평 안전광주를 안정적으로 회수하는 것이 중요하며, 이를 위해서는 상하부 채광장에 형성된 수직 안전광주의 규모와 중심축을 일치시키는 것이 중요하다.
현장조사가 이루어진 시점은 Fig. 2(a)와 같이 Lv520 채광장과 Lv540 채광장에서 일반적인 주방식 채광법으로 채광작업이 수행된 후, 수평 안전광주가 40% 정도 회수된 시점으로서, 앞서 언급한 채광단계 중 상부 채굴부의 추가 채굴단계에 해당한다. 이 단계에서는 Fig. 2(b)의 계획 단면에서 확인할 수 있듯이 각 채광장에 10 m × 10 m × 7 m (가로 × 세로 × 높이) 규모의 수직 안전광주가 형성되고, 향후 8 m 두께의 수평 안전광주를 모두 회수하게 되면 최종적으로 10 m × 10 m × 22 m의 대규모 수직 안전광주가 상부 지반을 지지하게 된다.
따라서 본 연구에서는 현장조사가 이루어진 시점을 기준으로 상하부 채광장에 형성된 수직 안전광주와 채광장의 안정성을 분석하기 위하여 Fig. 3과 같은 연구방법으로 LIDAR를 이용한 측량작업과 전산해석을 수행하였다.
3. LIDAR를 활용한 채광장의 3차원 측량
연구에서는 LIDAR를 이용하여 시험영역의 채광장과 수직 안전광주에 대하여 측량작업을 수행하고, 연속적인 3차원 좌표, 즉 점군 데이터를 취득하였다. 또한 채광장과 광주의 면적 및 부피를 산정하기 위하여 연속적인 surface 모델을 생성하였으며, Lv520 채광장과 Lv540 채광장에 형성된 수직 안전광주의 단면 분석을 수행하였다.
3.1 LIDAR의 측정 원리
LIDAR는 빛을 방출하고 반사되어 돌아오는 빛을 정확하게 측정하여 장비로부터의 거리를 측정하게 된다. 레이저를 이용한 측량장비의 하나인 토탈스테이션(total station)은 단일한 지점의 거리를 한 번씩 측정하는 반면, LIDAR는 빠른 속도로 회전하는 거울을 이용해서 다수의 점들을 빠른 시간에 취득하는 것이 장점이다(Lee and Jeon, 2016).
LIDAR의 측정방식은 ToF(Time of Flight) 방식과 PS(Phase Shift) 방식으로 구분된다. ToF 방식은 방사된 레이저 펄스신호가 측정범위 내의 물체로부터 수신기에 반사되는 시간을 측정함으로써 거리를 측정하는 원리이며, PS 방식은 특정 주파수로 연속적으로 변조되는 레이저 빔을 방사하고 측정 범위 내에 있는 물체로부터 반사되는 신호의 위상 변화량을 측정하여 시간 및 거리를 계산하는 원리이다.
일반적으로 ToF 방식의 스캐너는 광범위한 영역과 원거리 측정시 주로 사용되며, PS 방식의 스캐너는 ToF 방식의 스캐너보다 더 정밀한 측정이 가능하기 때문에 중단거리 측정시 주로 사용된다(Kemeny et al., 2006).
본 연구에서는 채광장의 규모와 정밀성 등을 판단하여 PS 측정방식인 Faro사 Focus3D X130을 사용하였으며, 976,000 point/sec의 최대 측정 속도로 점간 거리 0.61 mm의 점군 데이터를 취득하였다(Table 1).
3.2 측량작업 및 점군 데이터 정합
본 연구에서는 현장 접근성과 점군 데이터의 중첩성을 고려하여 Lv540 채광장에서는 5개의 지점을 선정하여 측량작업을 수행하였고, Lv520 채광장에서는 서쪽영역에 수평 안전광주의 회수 작업으로 인한 파쇄석들이 적치되어 있었기 때문에 접근이 불가능하여 2개의 지점에서만 측량작업을 수행하였다. 측량작업시 각 위치에서 장애물 또는 먼지에 의한 측량 오차를 줄이기 위하여 측정각도를 최대로 설정하였다.
Fig. 4는 Lv540 채광장의 각 위치에서 취득한 점군 데이터를 나타낸 것이며, Fig. 5는 Lv520 채광장의 각 위치에서 취득한 점군 데이터를 나타낸 것이다. 이상의 총 7개의 지점에서 취득한 점군 데이터를 Fig. 6과 같이 정합하였다.
점군 데이터를 정합(matching)하는 방법에는, 코드화된 타켓(coded target matching)을 이용하는 방법, 임의의 특징점을 설정하여 수동으로 정합시키는 방법(manual matching), 전체 점군 데이터들에 대한 통계처리로부터 소프트웨어에서 자동적으로 정합시키는 방법, 즉 스마트 매칭(smart matching) 기법 등이 있으며, 본 연구에서는 스마트 매칭기법을 이용하여 각 위치별 점군 데이터를 단계별로 정합시켰다.
정책 및 제도화 분야에서는 지특법과 연계하여 정부 및 지자체의 지반함몰 정책개선, 설계･시공가이드라인 제시, 지하굴착관련(지하안전영향평가) 지침(안) 및 매뉴얼(안) 등의 개발을 진행하고 있다. 지반함몰 예방을 위한 정부부처별 예방정책 분석, 도심지 지반특성을 고려한 정책 개선안 등을 제시할 예정이며, 국내외 지반굴착 설계 및 시공사례 등을 비교하여 지질특성별 지반굴착 가이드라인을 개발하고 있다. 또한, 지특법과 연계하여 지반굴착 관련 지침 및 매뉴얼(안) 제시를 통한 지반굴착시 체계 확립을 목표로 지하안전영향평가, 사후지하안전영향조사, 소규모 지하안전영향평가, 지반침하위험도평가를 그 대상으로 기본안을 작성하고 있다.
3.3 측량결과 분석
Fig. 6의 정합된 점군 데이터를 surface나 solid로 변환할 수 있는 소프트웨어인 Geomagic studio를 활용하여 Fig. 7과 같이 채광장을 solid 형태의 3차원 모델로 변환하였다.
Fig. 7의 3차원 모델은 현장조사 시점에서 채광장의 채굴영역을 의미하며, 이에 대한 부피분석 결과, 전체 채굴영역의 부피는 44,400 m3이며 석회석의 단위 중량이 2.7 ton/m3 임을 감안하면, 현장조사 시점에서의 채굴량은 119,800 ton으로 추정할 수 있다(Fig. 8).
3차원 모델을 이용하여 향후 22 m 높이의 수직 안전광주가 형성될 영역에 대하여 길이 측량과 단면 분석을 수행하였다. 시험영역의 채광작업이 완료되면, 최종적으로 총 4개의 수직 안전광주가 채광장에 남게 되지만, 현 조사시점까지 수평 안전광주 회수 작업으로 Fig. 9와 같이 1번 수직 안전광주(pillar 1)와 2번 수직 안전광주(pillar 2)의 최종 굴착면이 약 80% 정도 형성되어 있었다. 따라서 본 연구에서는 두 수직 안전광주를 중심으로 단면 분석을 수행하였다.
Lv520 채광장 서쪽 영역에서는 수평 안전광주의 회수 작업으로 파쇄석들이 적치되어 있었기 때문에 접근이 불가능하여 정확한 측량작업이 이루어지지 못하였다. 따라서 1번 수직 안전광주는 Lv540 채광장 영역에 대하여 횡단면 분석을 수행하였으며, 2번 수직 안전광주는 Lv520 채광장과 Lv540 채광장에 형성된 수직 안전광주의 중심을 기준으로 횡단면과 종단면 분석을 수행하였다.
두 수직 안전광주에 대한 횡단면 분석결과, Lv540 채광장에 형성된 1번 수직 안전광주의 단면은 광주의 중심을 기준으로 가로 11.71 m와 세로 12.70 m의 규모로 형성되었으며, 약 141.61 m2의 단면적을 갖는 것으로 분석되었다(Fig. 10). Lv540 채광장에 형성된 2번 수직 안전광주는 1번 수직 안전광주 보다 불규칙한 형태로 형성되어 있었으며, 가로 12.10 m ∼ 15.50 m와 세로 12.49 m의 규모로 약 161.33 m2의 단면적을 갖는 것으로 분석되었다(Fig. 11). 반면, Lv520 채광장에 형성된 2번 수직 안전광주의 단면적은 66.16 m2로 Lv540 채광장의 수직 안전광주보다 95.17 m2 정도 작은 규모로 형성되었다.
2번 수직 안전광주에 대한 종단면 분석결과, 수직 안전광주는 P2-NS단면에서 평균 약 22.00 m, P2-EW단면에서 평균 약 23.00 m의 높이로 형성되었으며, 두 단면에서 분석된 수직 안전광주의 평균 높이는 약 22.50 m로 분석되었다(Fig. 12).
이상의 분석된 결과와 시험영역에 적용하고 있는 신규 채광법(주방식 하이브리드 채광법)의 설계 자료를 비교분석해 보면, 수직 안전광주의 단면적은 가로와 세로가 10 m로 100 m2의 단면적을 갖도록 설계되어 있지만, 실제 채광장에 형성된 수직 안전광주의 단면적은 66.16 m2 ∼ 161.33 m2의 범위를 갖는 것으로 분석되었다. 이로부터 채광장에 형성된 수직 안전광주에는 국부적으로 여굴 및 미굴 영역이 존재함을 확인할 수 있다. 또한 Lv520 채광장에 형성된 2번 수직 안전광주는 Lv540 채광장에 형성된 수직 안전광주보다 단면적이 작을 뿐만 아니라 수직 안전광주의 중심축이 NW 방향으로 치우쳐져 있다(Fig. 11과 Fig. 12). 이러한 원인은 지질학적 요인에 기인한 것으로, 발파시 충격으로 인하여 수직 안전광주에 분포하고 있는 절리의 분리 거동이 수월해져 여굴이 발생한 것으로 판단된다. 실제로 본 채광장에는 70° 이상의 급경사 절리가 분포하고 있기 때문에, 발파력에 의한 암반 파쇄효과 보다 절리의 미끄러짐 거동에 의해 여굴영역이 SE 방향으로 치우쳐 발생한 것으로 보인다.
광산현장 특성상 채광장에는 영구적인 지보나 보강을 하지 않는 것이 일반적이지만, 본 시험영역의 채광장에서는 채수율 향상을 목적으로 신규 채광법을 적용하고 있기 때문에, 연구목적으로 출입하는 외부 출입자와 작업자의 안전을 목적으로 천반과 수직 안전광주에 숏크리트와 록볼트로 보강을 한 상태이다. 현장조사시 현 단계에서는 불안정한 요소가 확인되지 않았지만, 앞서 언급한바와 같이 Lv540과 Lv520 채광장에 형성된 수직 안전광주의 중심축과 단면적의 차이가 있기 때문에, 보다 안전한 채굴작업을 위해서는 이를 고려한 안정성 분석이 필요하다.
4. 채광장의 안정성 분석을 위한 전산해석
단면 분석결과에서 확인할 수 있듯이, Lv520 채광장과 Lv540 채광장의 수직 안전광주의 단면적 차이로 인하여 상부 암반을 지지하는 허용 지지력이 취약할 것으로 판단되는 바, 채광 기간 동안 수직 안전광주의 안정성을 확보하기 위해서는 이에 대한 안전 진단 및 보강 대책이 필요할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 시험영역의 수직 안전광주와 채광장의 안정성을 분석하기 위하여 LIDAR로 취득한 점군 데이터를 활용하여 3차원 연속체 전산해석을 수행하였다.
4.1 전산해석 모델
채광장과 수직 안전광주의 실제 형상을 반영한 전산해석 모델을 이용하기 위하여, LIDAR로 취득한 점군 데이터를 Itasca사의 Griddle 프로그램을 이용하여 FLAC 3D의 3차원 메시(mesh)로 재구성 하였다. 또한 Fig. 13과 같이, 채광장과 수직 안전광주의 3차원 메시를 포함할 수 있도록 100 m × 80 m × 40 m(가로 × 세로 × 높이)의 채광장 주변의 암반을 모사하였으며, 시험영역의 평균 채굴심도인 40 m를 적용하여 수치 모델을 구성하였다.
전산해석을 위한 입력자료는 현장조사 자료와 실내 암석물성시험을 기반으로 산정된 지반정수와 탄소성 모델인 Mohr-Coulomb 항복기준을 적용하였다(Table 2).
4.2 전산해석 결과
전산해석 결과는 시험영역 내의 수직 안전광주를 중심으로 분석하였으며, 불안정성이 야기되는 영역에 대하여 추가적으로 안정성을 검토하였다.
Fig. 14는 시험영역의 변위발생 분포도를 나타낸 것으로서, 1번 수직 안전광주의 중심단면인 Section 1에서 Lv540 채광장의 천반에서 최대 약 6 mm 정도의 변위가 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 채광작업에 의한 암반의 응력이완과 상부지반에 의한 수직응력의 영향인 것으로 판단된다. 그러나 발생된 변위가 상대적으로 작은 수준을 나타내기 때문에, 시험영역의 채광장과 수직 안전광주의 안정성에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 보인다.
채광장과 수직 안전광주의 최대 주응력을 분석한 결과는 Fig. 15와 같으며, 2번 수직 안전광주의 중심 단면인 Section 2에서 확인할 수 있듯이 Lv520 채광장에 위치하는 수직 안전광주에서 약 2.5 MPa의 응력집중 구간이 확인되었으며, 이는 앞서 분석된 바와 같이 Lv520 채광장의 수직 안전광주가 Lv540 채광장의 수직 안전광주에 비해 작은 단면적으로 형성되어 있고, 광주 규모에 비해 지지해야 하는 하중이 크기 때문에, 수직 안전광주의 하단부에 응력이 집중된 것으로 판단된다.
Fig. 16은 최대 주응력을 분석한 결과에서 응력집중이 확인되었던 2번 수직 안전광주의 최대 주응력 분포도이다. Section 2에서 확인되었던 응력집중 현상은 Lv520 채광장의 수직 안전광주의 내부뿐만 아니라, Fig. 16의 N, E, W 방향의 수직 안전광주의 표면에서도 약 2.5 MPa의 응력집중 구간이 관찰되고 있다. 이러한 응력집중 현상은 향후 수평 안전광주 회수 시, 더욱 심화될 것으로 예상되며, 이로 인해 수직 안전광주의 불안정성을 야기될 수 있다.
시험영역의 채광장과 수직 안전광주의 소성 영역에 대한 분석한 결과는 Fig. 17과 같으며, Section 1의 수평 안전광주 굴착영역과 Section 2의 Lv520 채광장의 수직 안전광주에서 전단파괴 양상을 확인하였다. Section 1의 수평 안전광주 굴착부분의 전단파괴는 수직 안전광주의 외곽 부분에 발생되었기 때문에, 수직 안전광주의 전반적인 안정성에 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다. 반면, Section 2에서 Lv520 채광장의 수직 안전광주는 광주의 중심부와 하단부에 전단파괴 영역이 발생되었으며, Fig. 18에서 확인할 수 있듯이 수직 안전광주 전반에 걸쳐 전단파괴 양상이 나타남을 확인할 수 있다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 수직 안전광주에 발생된 응력집중 현상에 기인한 것으로, Lv520 채광장의 수직 안전광주의 허용 지지력이 상부 하중에 비해 상대적으로 취약하고, 광주의 중심축이 NW 방향으로 치우쳐 있기 때문에 전단파괴가 발생한 것으로 보인다. 하지만 실제 현장에서는 채광장의 천반과 수직 안전광주에 숏크리트와 록볼트로 보강작업이 수행된 상태이기 때문에, 이상의 분석결과와 같은 불안정한 요소는 확인되지 않았다.
이상의 분석결과로부터 확인할 수 있듯이, 현 단계에서 채광장의 전반적인 안정성에는 문제가 없을 것으로 판단되나, Lv520 채광장의 수직 안전광주에서 응력집중 현상과 전단파괴영역이 관찰되기 때문에, 향후 잔여 수평 안전광주 회수시 추가 보강 대책이나 안정성을 확보할 수 있는 채굴계획이 필요할 것으로 판단된다.
5. 고찰 및 토의
앞서 분석된 수직 안전광주의 단면 분석 결과와 전산해석 결과에서 Lv520 채광장에 형성된 2번 수직 안전광주는 실제 현장에 숏크리트나 록볼트로 보강한 효과를 배제한다면, 불안정한 상태임을 확인할 수 있다. 현장 조사 결과, 현 단계에서는 불안정성이 관찰되지 않았지만, 향후 수평 안전광주 회수시 불안정성이 야기될 수 있기 때문에 보강효과를 배제한 보수적인 측면에서 안전율을 검토하였다.
본 연구에서 Lv520 채광장의 2번 수직 안전광주에 대한 안전율은 선행 연구자들에 의해 제안된 경험식과 전산해석에서 도출된 결과를 이용하여 분석하였다.
먼저 경험식에 의한 안전율은 광주강도(pillar strength)와 평균 광주응력(average pillar stress)의 비로서, 식 (1)과 같이 안전율을 구할 수 있다. 여기서 광주강도를 산정하는 식은 선행 연구자들에 의해 다양한 경험식들이 제안되었지만, 본 연구에서는 Greenwald(1939)의 경험식(식 (2)), Holland and Gaddy(1964)의 경험식(식 (3))을 이용하여 각각 산정하였으며, 평균 광주응력은 tributary area 이론식(식 (4))으로부터 산정하였다.
여기서, F는 안전율, 
는 광주의 강도, 
는 평균 광주응력, K는 임계강도에 의한 계수, H는 광주의 높이, 
는 광주의 폭, 
는 일축압축강도, D는 시료의 직경, 
는 단위중량, Z는 심도, 
는 갱도의 폭이다.
안전율 계산을 위하여 Fig. 19와 Fig. 20과 같이 채광계획 단계에서 작성된 계획단면과 실제 채광장에서 LIDAR로 측정한 단면을 기준으로 각각의 안전율을 계산하였다. LIDAR로 측정한 단면에서는 실제로 수평 안전광주가 일부 회수된 상태였지만, 본 분석에서는 평균 광주응력을 계산하기 위하여 수평 안전광주 회수 이전의 상태를 고려하였다. 또한, 안전율 계산을 위하여 불규칙한 단면의 형상을 정방형 단면으로 가정하고, 분석된 단면적을 이용하여 광주의 폭을 8.13 m로 역산하였다. 갱도의 폭은 Fig. 20(a)와 같이 수직 안전광주를 중심으로 주변 광주까지의 거리를 측정하고, 광주의 지지면적을 계산하였으며, 지류면적으로부터 역산된 길이와 광주의 폭의 차이로부터 수직 안전광주 주변의 평균 갱도의 폭을 15.37 m로 역산하였다. 광주의 높이는 Fig. 20(b)와 같이 각 방향에서 측정된 결과의 평균값 7.49 m를 적용하여 안전율 계산에 이용하였다.
Greenwald(1939)의 경험식과 Holland and Gaddy(1964)의 경험식에 의해 분석된 안전율은 계획단면에서 각각 2.0, 2.2로 분석되었으며, 측정단면에서 각각 1.3, 1.4로 분석되었다(Table 3). Esterhuizen et al.(2008)의 연구결과에 의하면, 안전율이 1.5 이상일 경우, 가행기간 중 안정성에는 큰 문제가 없는 것으로 보고된바 있다. 이 기준으로 분석된 결과를 검토해보면, 채광계획 당시 안전한 수준이었으나, 채광작업을 수행하면서 광주의 단면적이 축소되고, 이로 인해 갱도의 폭이 증가되었기 때문에, 안전율이 1.5 이하 수준으로 다소 불안정한 상태를 나타냈다.
이상에서 살펴본 바와 같이 측정단면으로 분석한 안전율은 다소 불안정한 상태를 나타내기 때문에, 실측 데이터를 활용한 전산해석 결과에서도 이러한 양상이 나타내는지 확인하고자, 암반의 강도에 대한 최대 주응력의 비로 식 (5)과 같이 안전율을 정의하여 살펴보았다(Geogeny, 2014).
여기서, 
는 요소에 작용하는 최소 주응력이 
이라고 할 때, 전단파괴를 일으킬 수 있는 최대 주응력을 의미하며, 
은 실제 요소에 작용하는 최대주응력의 크기를 나타낸다. 이 개념은 전단파괴에 대한 안전율과 유사한 개념으로서 1.0 이하인 경우 전단파괴 가능성을 의미한다.
Fig. 21은 암반의 강도에 대한 최대 주응력의 비를 나타낸 결과로서, Lv520 채광장의 수직 안전광주의 안전율은 전체적으로 1.0을 나타내고 있기 때문에 불안정한 상태임을 확인할 수 있다. 한편, 실제 현장에서는 보강작업을 수행하였기 때문에, 전산해석 결과와 같은 불안정성은 확인되지 않았지만, 향후 수평 안전광주 회수시 채광계획 수립에 있어, 본 연구의 결과를 참고자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 신규 채광법을 적용하거나 안정성이 요구되는 채광계획을 수립할 경우에는, 본 연구에서 수행한 LIDAR를 이용한 3차원 측량작업, 측량 결과를 활용한 안전율 검토, 전산해석 등을 수행하여 주기적으로 광주 및 채광장의 안정성을 평가하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
6. 결론
본 연구에서는 주방식 하이브리드 채광법이 적용되고 있는 광산에 대하여 LIDAR로 시험영역의 채광장을 측량하였으며, 이로부터 취득한 점군 자료를 활용하여 수직 안전광주의 단면 분석과 3차원 전산해석에 직접 활용하여 채광장에 대한 안정성 분석을 수행하였다. 본 연구에서 분석한 내용을 정리하면 다음과 같다.
1.향후 22m 높이의 수직 안전광주가 형성될 영역에 대하여 3차원 모델을 이용하여 단면분석을 수행한 결과, 채광장 서쪽에 위치한 1번 수직 안전광주는 Lv540 채광장에서 141.61 m2의 면적을 갖는 것으로 나타났으며, 동쪽에 위치한 2번 수직 안전광주는 Lv520 채광장과 Lv540 채광장에서 각각 66.16 m2, 161.33 m2의 면적을 갖는 것으로 나타났다. 따라서 설계 단면적인 100 m2와 비교해 볼 때, 각 채광장에 형성된 수직 안전광주에는 여굴 및 미굴 영역이 국부적으로 존재하는 것으로 확인되었다.
2.Lv520 채광장에 형성된 2번 수직 안전광주는 Lv540 채광장에 형성된 수직 안전광주보다 단면적이 95.17 m2 만큼 작을 뿐만 아니라 광주의 중심축이 NW 방향으로 치우쳐져 있음이 확인되었다. 이러한 원인에는 여러 가지가 고려될 수 있겠으나, 특히 발파시 발파충격으로 인하여 수직 안전광주에 분포하고 있는 급경사의 절리를 따라 분리 거동이 유발하면서 여굴이 발생한 것으로 판단된다.
3.3차원 전산해석 결과, Lv520 채광장의 2번 수직 안전광주에서 약 2.5 MPa의 응력집중 구간과 전단파괴 영역이 나타났는데, 이는 단면분석 결과에서 확인된 바와 같이 Lv520 채광장과 Lv540 채광장의 두 수직 안전광주의 단면적의 차이가 크고, 중심축이 서로 일치하지 않았기 때문인 것으로 판단된다.
4.Lv520 채광장의 2번 수직 안전광주에 대한 안전율 검토 결과, Greenwald(1993)과 Holland and Gaddy (1964)의 경험식으로 분석한 결과에서는, 계획단면에 대한 안전율은 각각 2.0 와 2.2, 그리고 측정단면에 대한 안전율은 각각 1.3 과 1.4로 분석되었으며, 전산해석에서 암반의 강도와 최대 주응력의 비로 분석한 결과에서는 안전율이 1.0 인 것으로 나타났다. 따라서 이들 결과를 Esterhuizen et al.(2008)이 제안한 1.5의 안전율을 기준으로 검토해 보면, 향후 별도의 보강작업 없이 수평 안전광주를 회수한다면, Lv520 채광장의 1번 수직 안전광주에서 지지하중의 증가로 인하여 안정성에 문제가 발생될 가능성이 있을 것으로 사료된다.
이상의 현장 적용사례를 통하여 지하채굴적의 정량적 형상 파악 및 이를 통한 정밀 전산해석에 있어서 LIDAR기법이 효과적으로 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다. 특히 LIDAR는 현장에서 신속, 용이하게 채굴적 형상에 대한 점군 데이터를 취득할 수 있기 때문에 광산 전체에 대한 채굴영역을 DB화 하는데 있어서 매우 유용하게 적용될 수 있으며, DB화된 정밀 데이터를 토대로 채굴적의 붕락 및 지반침하 우려지역을 정확하게 예측함으로써 위험구간에 대한 보강 및 대책마련에도 능동적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
