1. 서론
2. 지반침하에 의한 광해
2.1 지반침하 용어 정의
2.2 지하채굴에 의한 지반 침하
2.3 광산지역 지반침하 유형
3. 광산지역 지반침하방지사업 추진 절차
4. 광산지역 지반보강 사례
4.1 지반보강공법
4.2 지반침하방지사업 보강사례
4.3 철암지역 지반침하 보강공사(석탄합리화사업단, 1996; 한국광해관리공단, 2016)
4.4 물금광산 지반보강공사(한국광해관리공단, 2011)
4.5 풍원탄광 지반보강사업(한국광해관리공단, 2013)
4.6 덕재광산 지반보강사업(한국광해관리공단, 2015)
4.7 삼성석회석광산 충전효율화방안연구(한국광해관리공단, 2017)
5. 맺음말
1. 서론
광업은 국가의 기간산업으로 중요성을 갖으나 광산개발에 따른 광해를 발생시켜 국민안정과 자연환경을 훼손시킨다(Yoon et al., 2007). 20세기 후반에 들어 국민의 삶의 질 향상과 환경에 대한 관심이 집중되면서 광해발생에 대한 국민적인 관심이 높아지고 2005년도에 ｢광산피해의 방지 및 복구에 관한 법률｣이 제정됨에 따라 광해방지 기본계획을 5년마다 수립함으로서 효율적인 광해방지사업 추진 및 관리가 가능하게 되었다(Choi and Kwak, 2017).
한국광해관리공단은 광해방지사업의 체계적 시행, 지속적인 사후관리 및 가행광산의 친환경적 개발을 위하여 1단계 광해방지 기본계획(2007∼2011), 2단계 광해방지 기본계획(2012∼2016)에 따라 광해방지사업을 시행하였고, 산업통상자원부에서는 2016년 12월 3단계 광해방지 기본계획(2017∼2021)을 수립･발표하였다. 이중 지반침하 방지사업은 비용편익비율 10.97로 광해방지사업 유형중 2번째로 사업성이 높으며, 3단계 광해방지 기본계획에 따라 향후 107개소에 대한 지반침하 방지사업이 추진될 계획이다(Choi and Kwak, 2017).
본 사례보고에서는 3단계 광해방지 기본계획에 따른 지반침하 방지사업의 원활한 수행에 있어 참고자료로 활용할 수 있도록 광산지역에서 발생하는 지반침하에 대한 개념과 이에 대한 보강대책을 세우는 지반침하방지사업을 설명하였으며 기 수행된 지반침하방지사업 설계 및 시공사례와 연구 사례를 소개하였다.
2. 지반침하에 의한 광해
2.1 지반침하 용어 정의
지반침하(ground settlement)란 자연적 혹은 인위적인 다양한 요인에 의하여 지반이 넓은 면적이나 일정구간에서 자연적인 연약지반 또는 충분히 다짐되지 않고 인위적으로 형성된 지반이 오랜 시간 동안 서서히 가라앉는 현상(Fig. 1(a))을 의미한다(국토교통부, 2015). 지반함몰(ground sink)이란 지표면이 여러 요인에 의하여 일시적으로 붕괴되어 국부적으로 수직방향으로 꺼져 내려앉는 현상(Fig. 1(b))이며, 이중 최근 광산지역 뿐만 아니라 도심지에서도 발생함으로 인해 이슈화 되고 있는 싱크홀(sinkhole)이란 개념은 석회암, 석고, 암염 등의 지층이 지하수와 지표수의 화학적인 영향에 의하여 하부 지반이 유실되어 지표층까지 깔대기 모양 또는 원통 모양으로 붕괴(Fig. 1(c))되는 현상이다(국토교통부, 2015).
2.2 지하채굴에 의한 지반 침하
광산지역에서 발생하는 지반 침하는 지하광채의 채굴로 형성된 지하공동이 시간의 경과에 따라 지반의 전단강도 감소, 지반의 포행(creep) 변형, 침투수압에 의한 전이(migration), 지하수에 의한 유효응력 감소, 전단응력 증가 등에 의해 공동 천반이 붕괴되고 그 붕락이 점차 상부로 발달되면서 지표까지 연결되어 발생하는 지표붕괴 및 지반의 균열에 의해 발생한다(광해기술연구소, 2011).
2.3 광산지역 지반침하 유형
2.3.1 트러프형 침하
트러프형(Trough) 침하는 채굴공동 주위의 응력상태가 공동의 천정, 바닥, 광주나 파쇄대의 강도를 초과함으로서 발생한다. 트러프형 침하는 침하량이 1 m 이내로 침하 경사가 대체로 완만하고, 넓은 지역에서 장기간에 걸쳐 발생하기 때문에 그 피해가 주로 지상구조물에 발생하게 된다. 이러한 트러프형 침하가 발생하는 원인으로는 잔주파괴(Pillar Failure), 잔주펀칭(Pillar Punching), 천반파괴(Roof Failure)가 있다(Fig. 2).
잔주파괴(Pillar failure)는 시간의 경과에 따라 잔주의 강도가 작아지거나 지표구조물의 하중이 광주에 부과되어 발생된다(Whittaker and Reddish, 1989). 상대습도의 변화, 지하수 유입, 건조작용 등으로 인한 풍화작용이나 응력집중으로 인해 장기간에 걸쳐 잔주의 쪼개짐이 발생되고, 하나의 잔주가 붕괴됨에 따라 주위 광주에 하중이 집중되어 이로 인해 넓은 지역에 걸쳐 연속적인 붕괴현상이 생기게 된다.
잔주펀칭(Pillar punching)은 채굴적 바닥의 지지력이 상실되어 채굴적 바닥이 광주의 하부로부터 채굴적 내부로 밀려올라오는 현상을 말한다(Whittaker and Reddish, 1989). 주로 암반 내 지하수 유입으로 인해 암반 내 유효응력변화와 상대적인 강도 저하로 인해 발생하며, 잔주의 붕괴로 발생하는 침하면적에 비해 상당히 넓은 지역에 걸쳐 침하를 발생시키고 바닥의 연약 정도에 따라서 그 범위가 확장된다(Whittaker and Reddish, 1989).
광주의 파괴나 펀칭현상이 일어나지 않더라도 채굴적의 천반이나 상반이 파괴(Roof failure)됨으로써 침하가 발생될 수 있다(Whittaker and Reddish, 1989). 채굴적의 천반이나 상반에서 파괴가 발생하면 자체 지지력을 가지는 아치효과가 나타날 때까지 점진적으로 파괴가 진행되거나 파쇄된 암석들이 체적팽창을 일으켜 채굴적을 모두 채워 상부의 암석들을 지지할 때까지 붕괴가 계속된다(Whittaker and Reddish, 1989).
2.3.2 함몰형 침하
함몰형 침하(Sink-Hole)는 좁은 지역에 국한되어 큰 수직 변위가 발생하는 경우이다(Fig. 3). 이러한 형태의 침하는 대부분의 채굴법 적용 지역에 발생되며 일반적으로 채굴적 심도 50 m 이내에서 발생하는 것으로 알려져 있다(Karfakis, 1993).
함몰형 침하는 주로 천단부의 안정성에 연관되어 있으며 파괴의 진행과정을 살펴보면 최초의 천정부 파괴가 일어난 후 붕괴는 점점 상부로 진행되다가 자립이 가능한 견고한 지층을 만나 중단될 수 있으며 파쇄된 암편들의 체적팽창에 의해 중단되기도 하나 지하수 유동 등에 의한 암편 다짐작용, 또는 채굴적이 경사져있는 경우 경사진 채굴적을 따라 암편의 이동으로 공간이 확대되면 붕괴가 점진적으로 지표로 연결되기도 한다(Karfakis, 1993). 이러한 연유로 함몰형 침하의 발생은 갑자기 발생하기 때문에 예측이 곤란하고 경사가 급경사이기 때문에 인명 및 시설물에 심각한 타격을 줄 수 있는 위험이 있다(Karfakis, 1993).
3. 광산지역 지반침하방지사업 추진 절차
지반침하방지사업은 현황분석 및 탐문조사와 채굴적 및 지층현황조사를 통해 폐광산 지역 현황을 파악하고 지반안정성 검토를 실시하는 기본조사 및 정밀조사에서 시작된다. 기본조사와 정밀조사에서 해당 폐광산에 대한 보강이 필요한 것으로 나타날 경우 기본 설계를 통한 보강공법을 선정하게 되며, 선정된 공법의 타당성 검토 후 이에 대한 실시 설계 및 시공을 수행한다. 시공 전후에는 필요에 따라 지반 및 주변 구조물에 대한 계측을 실시하여 해당 폐광산 지역에 대한 안정 및 유지관리를 실시하게 된다(Fig. 4).
4. 광산지역 지반보강 사례
4.1 지반보강공법
지반보강공법은 크게 충전법과 국부 보강법으로 나뉜다(Fig. 5). 충전법은 용어 그대로 압축성이 낮은 골재, 그라우트재 등의 재료로 채굴적을 충전하는 지반보강공법이며, 국부 보강법은 채굴적을 충전하지 않고 채굴적 상부나 채굴적을 기둥 등으로 보강하는 지반보강공법이다. 지반보강공법이 두 가지로 분류되지만 채굴적이 원인이된 지반침하는 채굴적 상부 지반의 강도가 저하된 상태이기 때문에 국부 보강법의 경우 대부분 상부 보강법이 적용되며, 많은 경우 충전법과 상부 보강법이 별개로 적용되지 아니하고 채굴적 및 채굴적 상부 지반의 상태 등을 고려하여 복합 적용된다.
4.2 지반침하방지사업 보강사례
광해방지 기본계획 전후의 지반침하방지사업 중 지반보강은 주로 폐광산 상부에 중요 시설물인 철도, 도로, 교량, 건물, 농경지 등이 위치하는 구간에서 실시되었다. 석탄광 지반보강은 1995년 태백 철암지역 보강공사 이후 강원 삼척, 태백, 경북 문경, 충남 서산 등이 수행되었으며, 금속광은 1994년 인천 부평광산 보강공사 이후 인천 만수동, 충북 무극광산, 경남 양산, 충북 충주, 음성, 충남 청양, 경북 의성, 경기 용인, 전북 정읍, 전남 광양, 경북 봉화 등에서 수행된바 있다.
이러한 광종별 지반보강 사례를 보강공법에 따라 구분하면 Table 1과 같다. 석탄광의 경우 충전법은 밀크나 몰탈 충전이 9개소에서 적용된바 있으며, 상부 보강법은 마이크로 파일과 강관보강법이 9개소에서 적용되었다. 금속광의 경우 충전법은 몰탈이나 모래와 같은 골재 충전이 13개소에서 적용된바 있으며, 상부 보강법은 그라우팅이나 강관보강법이 6개소에서 적용되었다. 이렇듯 지반침하방지사업의 설계 및 시공사례는 일반 토목공사에 비하여 적기 때문에 일반 토목공사에서 충전재료의 특성과 공법의 효과가 검증된 보강이 주로 이루어 졌으며, 상기 언급된 충전법이나 국부보강법이 다양하게 적용되지 못하였다.
4.3 철암지역 지반침하 보강공사(석탄합리화사업단, 1996; 한국광해관리공단, 2016)
4.3.1 침하 현황
과업지역 대부분의 침하지는 산지에 분포하고 있으나 일부 침하지의 경우 도로, 철도, 건축물 등 주요 시설물이 위치하는 지역과 인접하여 부분적으로 침하가 발생하였거나 발생된 침하를 복구한 사례가 있다. 산지에 발생된 침하의 경우 주요 시설물이 분포하지 않기 때문에 직접적인 피해가능성은 낮은 것으로 판단되었다. 침하지의 규모는 1∼20 m, 길이 1∼50 m, 깊이 0.5∼25 m로 각 침하지 별로 다양한 규모로 분포하고 있으며 특히 지표와 탄층이 인접한 구간을 중심으로 대규모 침하지가 분포하고 있는 것이 확인되었다(Fig. 6, Fig. 7, Fig. 8).
4.3.2 설계 및 시공 상세
마이크로파일 공법과 충진 그라우트공법이 적용되었다. 전체 구역을 위험구역, 준위험구역으로 구분하였으며, 마이크로파일 공법은 직경 150 mm, 3 m 간격으로 위험 및 준위험구역 모두 적용되었다. 충진 그라우트공법은 지반을 직경 250 mm 천공하여 철도 및 도로 노선을 따라 지그재그로 10 m간격으로 위험구역에만 적용되었다(Fig. 9, Fig. 10).
4.4 물금광산 지반보강공사(한국광해관리공단, 2011)
4.4.1 침하 현황
국부적으로 함몰형 침하 형태의 침하지가 있으며, 1022호 지방도 인근 침하발생지 발견에 따른 긴급 복구의 흔적이 존재하였다. 기본 및 정밀조사 결과 본 광산은 남측부 0갱∼3갱 상부에 1022호 지방도가 위치하고 있으며, 안정성 해석결과 0갱, 1갱 채굴적에 의해 1022호 지방도 안정성이 불량한 것으로 확인하였다. 2009년 7월 장마기간 중 사면부에서 침하가 발생하였다. 과업구간 현황은 Fig. 11과 같다.
4.4.2 설계 및 시공 상세
하부 2갱으로 충전재의 유실을 차단하기 위해 1갱내에서 2갱과 관통지점을 확인 후 콘크리트 댐을 설치하였으며, 충전재가 풍도승을 따라 2갱으로 흘러들어가지 않게 형강 및 철판을 공장 가공하여 직접 자재를 인력으로 운반 후 현장에서 조립하여 Capping하고 시멘트 몰탈로 주변부를 채우는 방안이 적용되었다. 0갱, 1갱 채굴적에 대하여 수압식 충전 및 미충전 구간 몰탈충전이 적용되었다. 채굴적 상부에 위치하는 1022호 지방도의 경우 시멘트 밀크 그라우트를 통해 국부적으로 채굴적 상부를 보강하여 도로, 건물, 철도 등 주요 구조물의 안정성을 확보하는 공법이 적용되었다(Fig. 12, Fig. 13).
4.5 풍원탄광 지반보강사업(한국광해관리공단, 2013)
4.5.1 침하 현황
본 과업구역은 석탄광으로 대체적으로 트러프형 침하 유형을 보이며, 부분적으로 함몰형 침하 유형을 보이고 있다. 특히 주요구조물인 주거지에서 트러프형 침하에 의한 부등침하가 진행중임이 확인되었고, 함몰형 침하는 주로 농경지에서 발생하였다. 과업구간 현황은 Fig. 14와 같다.
4.5.2 설계 및 시공 상세
대상구간은 트러프 침하가 진행중인 진입도로, 축사, 비닐하우스를 포함하는 주거지 구간과 함몰형 침하가 발생한 농경지 구간으로 구분하여 공법이 적용되었다. 주거지 구간에서는 시멘트 밀크 그라우팅이 적용되었으며, 농경지구간에서는 지오그리드 보강공법이 적용되었다(Fig. 15, Fig. 16).
4.6 덕재광산 지반보강사업(한국광해관리공단, 2015)
4.6.1 침하 현황
과업지역에 위치하는 고압송전탑의 북서쪽 10 m 부근에서 함몰형 침하가 발생하였다. 침하지 주변 지반은 심도 3∼6 m는 토사(붕적층, 풍화대)가 분포하고, 하부는 암반이 분포하며 N65 W∼N70 W방향으로 약 6.3 m의 공동이 확인되며 붕락 암편이 쌓여있는 것으로 보아 침하원인은 채굴된 구간이 붕괴됨에 따라 발생한 것으로 파악되었다. 과업구간 현황은 Fig. 17과 같다.
4.6.2 설계 및 시공 상세
과업지역 현황을 고려해 보았을 때 경사지에 갱구가 위치하여 공동내로의 접근성이 떨어지므로 지상에서 시추공을 이용하여 중력식 모래 충전하고, 밀실한 충전이 어려운 점을 고려하여 상부 미충전 구간에 대하여 2차로 시멘트 몰탈을 충전하는 공법이 적용되었다. 채굴적에 의해 발생한 채굴적 상부의 암반이완 및 파쇄대를 보강하기 위하여 침하를 억제함과 동시에 급경사지인 채굴적 주변 지반 파괴로 인한 수평 활동 방지 목적으로 강관 보강 그라우팅이 적용되었다(Fig. 18, Fig. 19).
4.7 삼성석회석광산 충전효율화방안연구(한국광해관리공단, 2017)
4.7.1 침하 현황
삼성석회석광산은 노천채광으로 개발 후 갱내채굴이 이루어진 광산으로 노천 채굴지와 갱도가 분포하며, 채굴공동이 모두 지하수로 포화된 상태이다. 침하 발생은 채굴적 상부에서 총 3회에 걸쳐 침하가 발생하였다. 과업구간 현황은 Fig. 20, Fig. 21과 같다.
4.7.2 적용 공법 연구
삼성석회석광산 충전효율화 방안 연구에서 연구한 공법은 현장 유용토 활용방안 모색 및 국부보강법인 골재 그라우트 기둥공법이며, 연구결과는 Fig. 22와 같다. 연구결과 삼성석회석광산의 현장 유용토는 저소성 점토로 압축성이 높고 포화 시 전단강도를 잃어버리는 점토의 특성상 지하수로 포화된 본 현장에 적용하기에는 역학적 측면에서 불리한 것으로 나타났다. 골재 그라우트 기둥의 경우 실내 배합실험과 모형실험 및 실대형 시험을 통해 1.5m 직경의 기둥을 형성할 수 있는 골재 종류 및 그라우트 주입 조건이 확인되었다.
4.7.3 최종 공법(안)
연구결과를 바탕으로 삼성석회석광산에 적합한 공법으로 선정된 공법(안)은 Fig. 23, Fig. 24와 같다. 충전 공법의 경우 골재 충전을 전체 채굴적 구간에 대하여 실시하고 미충전 구간에 대하여 충전재로 역학적 성질이 부적합한 현장 유용토와 시멘트 및 유동성 혼화재를 혼합처리함으로서 물성을 개선한 유동화처리토를 채우는 방법으로 선정되었다. 또한 침하위험도가 높은 1편 채굴적 구간에 대하여는 골재 그라우트 기둥으로 추가적인 보강을 실시하는 방안이 제시되었다.
5. 맺음말
본 사례 보고에서는 광산지역 지반침하 및 지반침하방지사업에 대한 기본적인 설명과 지반침하방지 설계 및 시공사례와 공법에 대한 연구 사례를 소개하였다. 금속광의 경우 모래 충전이 주로 적용되고 석탄광의 경우 그라우트 충전과 상부 보강법을 병행하는 공법 적용이 특징적이며, 사례에서 확인된 공법들은 지반침하를 유발하는 요인을 확실하게 제거하는 방법이라고 할 수 있다.
지반침하방지 설계 및 시공사례에서 확인된 안정적인 보강공법 적용은 지반이 갖는 불확실성에 기인한 것으로 볼 수 있다. 최근 이러한 지반이 갖는 불확실성에 대한 국민적, 사회적 불안도가 증대되고 있으며 이에 따라 앞으로 진행될 지반침하 방지사업의 중요성은 더욱 강조될 것이다. 폐광산에 의한 지반 침하를 사전에 방지하는 것이 가장 바람직하지만 지반침하가 발생하였을 경우 안정적인 공법의 설계 및 시공이 필요하며, 이때 본 사례보고를 참고자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
