1. 서 론
2. 조사지역 일반 현황
2.1 조사지역 기상 현황
2.2 조사지역 지질 개요
2.3 조사지역 지하수위
3. 적정 추적자 물질 선정을 위한 실내 시험
3.1 추적자 시험 개요
3.2 추적자 실내시험 결과
4. 조사지역 현장시험
4.1 조사지역 물리탐사
4.2 현장 추적자 시험
5. 대상 광산의 수리 지질 모형 구현
5.1 개발 전 수리 지질 모형
5.2 개발 후 수리 지질 모형
6. 결 론
1. 서 론
지하수의 관리는 광업과 같은 산업 활동뿐만 아니라 지역사회를 위한 가장 중요한 천연자원 중 하나이다. 본 연구에서 다루는 갱내수 발생과 관련한 예측은 광산과 연계된 지하수 연구의 중요한 주제 중 하나로, 광산 관리자들이 더 발전된 개발 계획을 세울 수 있도록 도울 수 있다. 또한 갱내수 발생의 예측은 광산 주변의 수자원의 지속가능한 관리를 위한 전략을 개발하기 위해 사용될 수 있다.
국내의 개발 중인 비금속 광산은 많은 경우 석회석 광산으로 환경문제 발생 및 고품위 채광을 위해 갱내 채광으로 전환되어 개발하고 있다. 최근 몇 년 사이에 대규모 광산개발에 따른 이해당사자 간의 환경적 견해 차이로 인한 갈등이 증가하고 있으며, 이러한 환경 갈등의 주요 대상 중 하나는 지하수 문제이다. 개발이 장기화함에 따라 작업장의 규모가 확대되고 개발 심도가 깊어짐에 따라 발생할 수 있는 지하수 유출 영향에 관하여 많은 공학적·사회적인 문제가 발생할 수 있으며, 광산에서는 효과적인 출수 관리가 중요하다.
광산개발에 따른 지하수 유동은 지질 및 지형 조건, 지반의 특성, 광산 주변 지하수 조건 등을 고려할 필요가 있다. 특히 지하 광산 채광 중 갱내로 유입되는 지하수량이 많을 경우, 지반의 소성 변화 및 강도 저하, 붕락과 같은 주요 문제의 발생 원인으로 작용한다. 특히 2000년부터 2020년까지 중국의 갱내 채광 광산에서 총 779건의 물의 유입에 의한 사고가 발생하였고, 그 중 67.7%가 작업장으로의 지하수 유입으로 인한 사고로 확인되었다(Luo et al., 2021). 지속적인 채광 작업이 유지되기 위해서는 계절적인 갱내수 유입량의 변화와 단전이나 펌프의 파손 및 돌발적인 유입량의 증대에 대처할 수 있도록 갱내수 유입에 대한 대책을 설계해야 한다. 대책 설계에서 가장 중요한 것은 갱도 내로 유입되는 지하수량을 정확하게 평가하는 것이다(Bridgwood et al., 1983).
국내 추적자 시험은 많이 수행되지 않았으나 2000년도부터 점차 수행하기 시작하였으며 오염 물질의 거동 특성 연구를 비롯하여 새로운 분산계수 산정 방법 개발 등이 진행되었다. Seo et al.(2005)은 방사성 동위 원소를 이용하여 취득한 데이터를 통하여 다양한 방법으로 분산계수를 산정하였다. 우리나라의 추적자 시험은 대부분 대수층의 용질 이동 특성을 파악하기 위해 수행되며(Kim et al., 1993), 광산개발에 따른 갱내 출수 영향에 대한 규명을 위하여 염화나트륨, 희토류 등 다양한 추적자 물질을 활용하여 연구해 왔다(Mather et al., 1969, Wolkersdorfer, 2002).
2. 조사지역 일반 현황
2.1 조사지역 기상 현황
조사지역이 위치한 강원도는 전형적인 산악 지역으로 해발고도가 900 ~ 1,400 m가 넘는 산이 둘러싸고 있다. 조사지 인근의 강수량 관측소에서 대상 지역의 강수 특성을 파악하였다. 강수량 관측소가 관측을 개시한 이후 시점부터 강수 현황을 살펴보면, 관측 기간의 측정 자료 중 10 mm/day 이하의 강수량이 전체의 약 90%를 차지한다. 관측 기간에 연간 최대 강수량은 1993년에 2,009 mm이며, 최소 강수량은 1995년에 773 mm이다. 관측 기간의 연 평균 강수량은 1,364 mm이다. 이 지역의 월 평균 강수량은 우기인 7 ~ 9월에 232 mm/month ~ 281 mm/month로 가장 많아지는 형태를 보인다.
2.2 조사지역 지질 개요
지질은 두위봉형 조선누층군에 속하는 고생대 캄브리아기의 풍촌층, 화절층과 오르도비스기의 동점층, 두무동층 및 이들을 후기에 관입한 시대 미상의 암맥류로 구성된다. 본 지역의 지층들은 대체로 N15 ~ 30E, 15 ~ 25NW의 주향 및 경사를 보이며(Fig. 1), 조사지역을 지배하는 지질 구조는 어리충상단층이다. 어리충상단층을 중심으로 상반에는 풍촌층과 화절층이 주로 분포하며, 하반에는 주로 상위지층인 동점층, 두무동층이 분포한다(Korea Resources Corporation, 2018).
지하수 유동 특성 분석을 위해 광산 조사를 통해 확인된 단층대의 방향성과 갱내수 누수 여부를 분석하였다. 운반갱 및 주요 지점 위주을 대상으로 큰 규모의 단층대 위주로 갱내수 누수 여부를 파악하였으며, 부족한 자료는 기존의 불연속면 조사 결과를 활용하였다. 조사 방법은 조사 위치 및 불연속면의 형태 조사 후 불연속면 조사를 통해 확인된 불연속면의 주향과 경사를 측정하고 갱내수 유출 혹은 젖음 단계로 갱내수 누수 여부를 조사하였다. 불연속면의 방향성은 광역 지질 구조에서 확인하였던 바와 같이, 남북 방향과 동서 또는 서북서-남남동 우세하며 갱내수 유출이 발생한 불연속면은 북동-남서 및 서북서-남남동 방향이 우세하였다(Fig. 2).
2.3 조사지역 지하수위
대상지 인근의 국가 지하수 관측소의 수위 현황을 파악하기 위해 관측소의 최근 9년간(2014 ~ 2023.05년) 기상 자료를 분석하였다. 인근 국가 지하수 관측소의 경우, 평균 수위가 표고에서 5.71 m 아래에 위치하는 것으로 조사되었다. 연도별 수위 자료를 검토하면, 최댓값은 2021년에 673.17 El.m으로 확인되었고, 최솟값은 2023년으로 확인되었다. Fig. 3(a)과 같이 최댓값은 2014년 이후 증가하는 방향으로, 최솟값은 감소하는 추세를 나타내고 있다.
월별 수위 자료를 검토한 결과, 중간값을 나타내는 제2사분위값의 변화가 Fig. 3(b)와 같이 나타났으며, 해빙기인 3 ~ 4월 경에 수위가 상승하고, 우기인 7, 8월에 수위가 상승하여 10월까지 영향을 미치는 것으로 보이며, 10월을 기점으로 다시 겨울철인 건기에 수위가 하강하는 것을 확인할 수 있다.
3. 적정 추적자 물질 선정을 위한 실내 시험
3.1 추적자 시험 개요
추적자 시험은 크게 두 가지 목적을 가지고 수행되는데(Kim et al., 1993), 첫째로 지하 매질의 관심 있는 두 지점이나 영역 사이의 연결성을 확인하고자 하는 것이고, 둘째로 대수층에서 용질의 이동 특성을 반영하는 변수를 추정하고자 하는 것이다. 지하 매질의 연결성 확인에는 주로 카르스트 지형에서 이루어져 왔고, 최근에는 암반 대수층에서 관찰되는 큰 규모 단열의 연결성을 확인하는데도 적용되고 있다. 광산 출수에 대한 추적자 시험에 사용된 다양한 물질은 다양한 연구에서 검토되었다(Table 1). 우리나라에서 수행되고 있는 많은 종류의 추적자 시험도 대부분 대수층의 용질 이동 특성을 파악하기 위해서 행해지고 있으나, 본 연구에서는 연구 대상지와 인근에 있는 석회석 광산과의 수리적 연결성 확인을 통해 갱내 누수의 원인 규명이 목적이므로 지하 매질의 연결성 확인을 위한 추적자 시험을 계획하였다.
Table 1.
Various tracers used in past test
| Tracer | References |
| NaCl | Mather et al.(1969), Hawkins and Aljoe(1992), Wolkersdorfer(2002), Wolkersdorfer and Hasche(2004) |
| Na-fluorescein | Mather et al.(1969), Parsons and Hunter(1972), Nunes et al.(1990) |
| Rhodamin WT | Canty and Everett (1999) |
| Club Moss Spores | Wolkersdorfer and Hasche(2001), Wolkersdorfer(2001), Wolkersdorfer and Hasche(2004) |
| Microspheres | Wolkersdorfer and Hasche(2001), Wolkersdorfer(2001), Wolkersdorfer and Hasche(2004) |
| Sulpho Rhodamin B | Aldous and Smart(1987) |
| Tritium | Mulenga et al.(1992), Zhou et al.(1993) |
| CFC | Parry et al.(2000) |
| Rare Earth Elements | Worrall and Pearson(1999), Wolkersdorfer(2002), Merten et al.(2004) |
3.2 추적자 실내시험 결과
본 연구에서는 석회석 광산의 환경 조건에 적용 가능한 추적자 물질을 선정하기 위해서 실내 실험을 수행하였다. 대상 석회석 광산의 수계 이화학적 분석 후 이 결과를 토대로 양이온 성분인 나트륨, 칼륨, 철, 망간과 음이온 성분인 염소이온과 불소 이온, 또한 지하수 추적자 시험에서 많이 사용되는 Rhodamine과 Fluorescein을 1차 선정하였다. 실내 실험은 Fig. 4와 같이 컬럼 실험으로 설계하였다. 수조 1을 통해 대상 광산의 유입수 조건인 pH 8을 유지할 수 있도록 하였고, 분석하고자 하는 추적자 물질은 수조 2를 통해 투입하였다. 컬럼은 내부 공극 구조 및 내부 흐름에 대한 변수를 최소화하기 위해 동일한 입도 분포 및 정량의 매질, 컬럼 내 채널 발생 방지를 위해 상향식 흐름 등으로 설계하였다. 설계 유속은 지하수의 대표 선속도인 0.001 m/min을 유지하기 위해 각 수조에 연결되는 2개의 펌프를 사용하였다. 염료계 추적자 물질의 경우 가시광선에 의해 분해되는 성질이 있으므로 컬럼 외부를 갈색으로 처리하였다. 컬럼 내 매질은 대상 광산의 암반층(파쇄) 및 토양층(건조)을 거친 입도(10 ~ 18 mesh)와 가는 입도(18 ~ 140 mesh)로 구분하여 실험을 수행하였다. 컬럼은 습식으로 충진하고, 상향식 흐름으로 설계하여 내부 기포 및 부분 흐름에 따른 영향을 최소화하였다.
실내 실험 결과, 파쇄 조건에서 토양 조건에 비해 농도이력곡선의 최댓값(C/C0)이 높고 빠르게 나타났으며, 농도 감소 구간에서 증가 구간의 모양과는 다르게 비대칭적으로 길게 나타나는 현상인 꼬리 효과의 정도는 작게 나타났다(Fig. 5). 석회석 광산에 적용 가능한 추적자 물질 선정을 위해 회수율 분석과 평균 오차량 분석을 수행하였다(Table 2). 그 결과 회수율은 Fluorescein이 80.68%로 가장 높으며, 그 때의 표준편차도 가장 작았다. 평균과의 오차량의 경우 철 이온이 가장 작게 나타났으나, 철 이온의 경우 회수율이 다른 물질들에 비해 상대적으로 너무 낮은 값(2.68%)으로 분석되어 적합하지 않다고 판단되었다. Fluorescein이 여러 실험 조건에서 안정적인 결과값을 나타내어 시간별 농도 평균과의 오차량도 작고(0.0168), 오차량에 대한 표준편차도 0.0076으로 가장 작은 것으로 확인되었다. 이를 통해 Fluorescein이 석회석 광산에서 추적자 물질로 사용하기에 가장 적합한 것으로 판단되었다.
Table 2.
Column-test results
4. 조사지역 현장시험
대상 광산은 2개 지점에서 갱내 유출수가 발견됨에 따라, 상부 계곡과 갱내 유출수와의 연결성 검토가 필요하였다. 주요 계곡과 인접한 지점은 물리탐사를 통해 유출 가능성을 판단하였으며, 상부 계곡과 천층지하수의 영향을 고려해야 하는 지점에서는 현장에서 추적자 시험을 수행하였다.
4.1 조사지역 물리탐사
물리탐사는 전기비저항탐사 방법을 통해 수행하였다(Fig. 6(a)). 역산 결과 2개의 측선 모두 남쪽에서 북쪽으로 갈수록 상부의 저비저항대가 두껍게 나타나는 경향을 보였다(Fig. 6(b)). 조사지역의 지질 구조분석 결과, 역단층을 기준으로 서쪽 편에 습곡이, 역단층의 하반인 서쪽 편에 향사구조가 확인되었으며, 이로 인해 상부의 화절층이 상대적으로 두껍고 심도가 깊어지는 경향이 보인다. 이로 인해 탐사 결과에서 하부의 고비저항대는 석회암인 풍촌층 및 화절층 하부호층대를 나타내며, 상부의 저비저항 이상대는 대수층인 화절층 중부사질대로 판단된다. 물리탐사 자료의 3차원 해석을 위해 Fig. 6(c)와 같이 3차원 갱도 모델, 물리탐사 자료, 주변 수계, 지형정보 등의 자료를 이용하여 KModStudio 기반 종합모델을 구축하였다. KModStudio는 지표 및 지하에서 획득한 다양한 속성의 자료군과 이를 기반으로 합리적으로 추론한 지질구조 및 특성을 3차원 영상으로 표현할 수 있는 소프트웨어로 한국광물공사에서 2017년 개발하였다. 대수층으로 판단되는 중부사질대의 경계와 상부의 저비저항 이상대의 경계가 대체로 유사하게 나타나는 것으로 확인되었다. 물리탐사 결과 갱내수발생 위치로 이어지는 단층과 같은 뚜렷한 저비저항 양상이 확인되지 않으나, 갱도 작업장의 대단층에 의한 대수층의 심부화 및 습곡에 의한 대수층의 두께가 상대적으로 두꺼워진 상황에서, 갱내수 유출 구간에서 확인된 단층에 의한 지하수의 유동 채널 발달로 지속적인 유출 가능성에 대해서 판단할 수 있다.
4.2 현장 추적자 시험
실내 컬럼 실험 결과에 따라 선정된 Fluorescein 물질을 추적자로 사용하였다. 현장 추적자 시험은 Step input의 방식을 채택하여 수행하였다(Fig. 7(a)). 약 7,000 L의 물탱크에 480 ppb의 용액을 현장에서 제조하여 사용하였다.
추적자 시험의 첫 단계로 갱내수 유출 지점 및 상부 계곡수의 배경농도 측정을 위한 시료를 채취하였다. 추적자 물질은 총 3시간에 걸쳐 상부 계곡에 주입하였고, 갱내수 유출 지점에서는 총 6일에 걸쳐 시료를 채취하여 농도를 측정하였다. 시료 채취는 Fluorescein 주입 후 갱내에서 30분 단위로 측정하였으며, 최고 농도 도달 확인 후, 일 2회 주기로 측정하였다. 측정 장비는 Turner Designs 사의 형광광도계인 AquaFluor Handheld Fluorometer를 사용하였고, 이 장비는 경량으로 현장에서 사용하기에 적합한 장비로 0 ~ 400 ppb의 Fluorescein Dye의 측정이 가능하고, 내구성을 가지고 신속히 측정이 필요한 경우에 활용도가 높은 장비이다.
Fluorescein 물질의 상부 계곡 주입 후 약 270분 후 A 광산에서 나타나기 시작하여 약 주입 후 420분에 최고 농도를 보이고, 지속적으로 감소하는 형태를 보인다. 이에 따른 농도이력곡선은 Fig. 7(b)와 같다. 갱내수 유출량과 농도이력곡선 분석 결과, 추정 Fluorescein 회수량은 1,716.45 ㎍으로 회수율은 약 51.1%으로 추정되었다. 이는 A 광산으로 유입되는 물의 약 51.1%가 계곡수로부터 유입되고, 약 48.9%는 다른 지역에서 유입되는 것을 의미한다.
본 시험으로부터 A 광산과 계곡수와의 수리적 연결성을 확인하였고, 이들 지점 간에 유입/유출되고 있는 물의 비율을 추정할 수 있다. 추적자 시험 해석에 의하면, 시험 당시 A 광산의 유출량(690 m3/day)의 51.1%인 353.2 m3/day의 물이 계곡수로부터 유입되고 있음을 의미한다. 추적자 농도이력곡선 분석 및 시험 결과는 Table 3에 요약하였다.
5. 대상 광산의 수리 지질 모형 구현
지하수 모델링은 지하수의 흐름이나 지하수 내 오염물질 거동을 지하수 모델을 이용하여 과거 상태를 재현하고, 현재 상태를 분석하며, 미래를 예측하는 것을 의미한다(Lee, 1993). 현장에서 발생하는 생물학적, 물리학적, 화학적 현상들을 수식을 통해 실제 대수층과 최대한 유사하게 상태를 표현한다(Je-gal, 2017). 연구지역의 현장이나, 실제상황을 표현하기 위해 그와 비슷한 조건으로 모델을 구축하여 실제 대수층의 지하수 상태를 재현하고, 화학물질 농도분포, 지하수위 등을 예측하는데 활용된다.
본 연구에서는 FEFLOW 소프트웨어를 활용하여 채광장 주변의 수리 지질 모델링을 수행하였다. 조사지역의 채광 전후의 지하수 유동의 변화를 비교하기 위해 (1)개발 전, (2)개발 후의 2가지 모형을 구축하여 모델링을 수행하였다.
5.1 개발 전 수리 지질 모형
Fig. 1의 항공사진 등의 지형정보를 활용한 유역경계를 산출하여 모델링을 수행할 구역을 정의하였다. 수치표고모형(Digital Elevation Model: DEM)으로부터 유역을 추출하였다.(Wang and Liu, 2003). 지하수 유동 통로로 파악되는 주요 불연속면을 표현하기 위해 갱도의 출수 주변부의 동-서 방향의 단층을 사용하였으며, 수리 지질 모델링 주변부의 수계 표현을 위해 수치지형도의 수계 자료를 활용하여 대표되는 수계 구간을 설정하였다. 수계의 지하수 함양률은 국립농업과학원에서 제공하는 토양도를 통해 195 mm/a로 산출하였으며, 불연속면의 수리학적 틈은 조사 시 단층 폭의 대표 수치인 0.5 m로 가정하고 수행하였다.
모델링 결과 Fig. 8 (a), (b)와 같이 고도가 낮은 수계를 중심으로 수두 값이 낮아지는 경향을 확인할 수 있다. 650 ML 에서는 유역의 남서쪽 지점에 가장 낮은 고도 영역을 중심으로 하여 수두값이 낮아진다.
5.2 개발 후 수리 지질 모형
광산 개발 후의 수두 분포도는 Fig. 9(a), (b)와 같으며, 지표는 개발전 결과와 마찬가지로 수계를 중심으로 하여 수두값이 낮아지는 경향이 있다. 갱내수 유출지점과 불연속면을 중심으로 수두값이 낮아지는 경향을 확인할 수 있다.
3차원 유선 가시화 결과는 Fig. 10과 같으며 지하수의 유동이 수계 주변부와 수리 지질적 틈으로 설정한 불연속면을 따라 흐르는 경향을 보여준다. 특히 불연속면 주변부로 유선 밀도가 높아지며 지하 심부로 흐르는 경향이 확인된다.
광산 수리 지질 모델의 물질수지를 검토하였다. 대상 전체 유역에서 갱내수로 발생하는 양의 비중은 6.40E-08로 매우 적은 비중을 차지하는 것으로 분석되었다. 연구 지역에서 수직방향으로의 수계의 흐름은 대부분 불연속면을 통해 발생하는 것으로 분석되었고, 그 비율은 전체 흐름의 약 9.4%로 나타났다. 이는 수직방향(z)의 수리 전도도가 수평방향(x, y)의 수리전도도에 비해 1/10이라는 이론적인 설명에 적합한 것으로 나타났다. 지표면과 갱내수가 발생하는 지점으로의 유출은 약 47%로 분석되어 추적자 시험 결과와 흡사한 것으로 나타났다.
6. 결 론
본 연구에서는 석회석 광산에서 발생하는 갱내수 유입원의 분석을 위해 실내 실험, 현장 시험, 수리지질 모형 분석을 수행하였다. 실내 컬럼 실험을 통해 염료계, 음이온과 양이온 물질에 대해서 석회석 광산 환경에서 적용가능한 추적자 물질을 선정하고자 하였다. 매질의 종류 및 입도에 대해서 실험을 수행한 결과 Fluorescein이 가장 적합한 것으로 판단되었으며, 이를 통해 광산 외부의 계곡수와 광산 내부에서 발생하는 갱내수에 대한 수리적 연결성 분석이 가능하다.
본 연구의 대상 광산에서 실내 실험을 통해 선정된 Fluorescein 물질을 사용하여 추적자 시험을 수행하였다. 수행 결과, 상부 계곡과 갱내수 유출지점과의 수리적 연결성을 확인하였으며, 갱내수 유출수의 약 51%가 상부의 계곡수로부터 유래하는 것으로 판단할 수 있다.
수리 지질 모형을 통해 대상 광산의 추적자 시험에 대한 결과를 검토하고자 하였다.개발 전·후의 모형 분석 결과, 갱내수 유출 지점과 불연속면을 중심으로 수두값이 낮아지는 경향을 확인하였고, 지표수와 갱내수 발생 위치에서의 유출 분석 결과(47%), 추적자 시험(51.1%)의 결과와 유사한 비율이 나타았다. 이에 따라 수리적 연결성 및 그 비율에 대해서 추적자 시험이 용이하게 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
