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SUMMARY
CONTENTS
목차
제1장 서론 17
제2장 국내외 기술개발 현황 22
제3장 연구개발 수행내용 및 결과 24
제1절 노천채광장에서의 문제점 및 시험광산의 개요 24
1. 연약암반 노천채광장에서의 문제점 24
2. 시험광산의 개요 28
3. 시험광산의 지질 및 지질구조 30
4. 시험광산의 사면안정성과 문제점 34
제2절 현장조사, 시험 및 계측 38
1. 조사사면 38
2. 변위계측 및 해석 38
3. 현장 투수 및 토양수분함양 시험 61
4. 지하수위 모니터링 66
5. 형광 추적자 시험 68
제3절 사면설계 및 안정성 분석 73
1. 사면설계 73
2. 2-D 지하수 유동해석 82
3. 간극수압을 고려한 수리-역학 연계 해석 87
4. 3차원 지하수 모델 해석 96
제4절 사면 안전성 제고를 위한 발파공법 개선 99
1. 서론 99
2. 기존의 대규모 발파공법 및 사면안전 문제 100
3. 발파작업이 사면안정성에 미치는 영향에 대한 수치해석적 고찰 102
4. 지반진동 허용수준의 설정 111
5. 안전발파지침의 수립 112
6. 설계지침 지원을 위한 표준발파패턴 개발 118
7. 벤치발파 공법설계 및 시험 132
8. 결론 및 제언 136
제5절 GIS기반 연구 138
1. GIS를 이용한 운반의 최적화 138
2. GIS를 이용한 배수의 최적화 157
3. GIS기반 광역 사면붕괴위험도 평가 168
제6절 프로그램 개발 188
1. Dump Traveler 프로그램 설계 및 구현 188
2. Mine Hydro 프로그램 설계 및 구현 193
3. Pit Slide 프로그램 설계 및 구현 195
4. MaxPit 프로그램 설계 및 구현 198
제7절 결론 210
제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 217
제5장 연구개발결과의 활용계획 223
제6장 참고문헌 225
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I. 제목
대규모 석탄 노천광의 연약사면 안정성 및 생산성 향상 연구
II. 연구개발의 목적 및 필요성
1. 연구의 목적
본 연구의 최종목표는 대규모 노천광 연약사면의 안정대책을 확보하기 위한 기술 확립 및 사면안정성과 생산성 향상을 위한 발파기술 개발을 통하여 최적화된 노천채광시스템을 확보하는 것이다.
해외 광물의 지하채광이나 노천채광에 있어서 고려해야 하는 많은 기술 항목들이 있는데, 특히 노천광의 경우 광산개발 및 채굴로 형성되는 사면설계는 광산의 효율적 개발과 안정성에 직결되는 중요한 기술 항목이다. 본 연구에서는 대규모 연약사면을 대상으로 사면의 안정성 향상 및 사면파괴의 예측, 발파법의 개선과 사면과 구조물에 영향을 미치는 진동의 감소, 많은 비중을 차지하고 있는 폐석의 운반문제, 우천 및 지하수에 의한 발생되는 지표수의 채광장 바닥에 집적되는 물에 대한 배수 등의 개선을 통해 생산성 및 안정성을 향상 시키는 것이 연구의 목적이다. 특히 중점으로 다루어질 노천광의 사면설계는 영구적으로 유지되는 토목사면과 달리 경제적 측면과 개발 효율성 측면에서 개발기간 동안만 안전유지가 가능하게 하는 설계기술이 요구된다.
시험광산을 대상으로 사면의 조사와 변위 및 지하수 등의 계측을 통하여 사면의 안정성을 확보하는 방안을 개발하고, 또한 안전율의 효율적인 추정기법의 제안을 위한 연구가 수행되었다. 또한 채광 및 발파기술에 대한 현황분석과 특히 연약암반에서 현행 발파패턴 하에서의 지반진동 전파특성을 규명하여 대규모 노천채광의 사면안정화를 위한 제어발파기술 및 생산성 향상을 위한 최적화된 발파법을 개발하는 것이다.
따라서 최종목표를 달성하기 위한 당해 연도의 연구목표는 대규모 노천채광에서의 연약사면의 안정성 평가기술 및 발파기술 개선으로 그 세부 목표는 대규모 노천채광의 연약사면에서의 사면안정성의 인자별 영향 분석 및 확률론적 평가기법의 정립, 사면안정성을 위한 제어발파기술 개발 및 진동을 고려한 발파가이드 라인의 제시, GIS를 이용한 대규모 노천광에서의 운반의 효율성 증가 및 배수시스템의 최적화 그리고 사면안정도를 위한 기술개발과 pit 설계최적화를 이루는 것이다.
2. 연구의 필요성
가. 기술적 측면
○ 국내는 석회석 광산 및 골재 채석장에서 노천채광이 이루어지고 있지만, 노천채광의 규모가 작아 대규모 노천채광에 대한 종합적인 기술이 부족하고, 국내에서의 노천채광 발파기술은 민원 등으로 채광작업이 제약되어 기술개발이 어려운 상황에 있다.
○ 해외자원개발의 경우 대규모 노천채광형태의 개발이 요구되고 있으나, 국내에서는 대규모 노천개발 방식의 광산개발에 있어 축적된 개발기술이 거의 없는 상황으로 앞으로 해외자원개발을 위해 필요한 요소기술들의 확보가 필요하다.
○ 사면의 안정성 해석을 위한 지질구조 조사, 암반물성 시험 및 현지암반평가 등과 관련된 기술은 국내외적으로 거의 유사한 수준에 있으나, 국내의 암반은 대부분 보통암 이상의 강도를 가지기 때문에 연암과 강수가 많은 지역에서의 사면안정성에 대한 연구가 미약하다.
○ 특히, 노천 광산개발의 경우는 사면의 안전유지를 위한 사면설계기술과 발파가 생산성 및 채산성 제고를 위한 핵심기술 항목으로 대규모 노천채광에서의 두 분야의 연구가 필요하며 특히 광산사면의 경우는 영구사면인 토목사면과 달리 안전성 뿐만 아니라 경제성 측면에서의 검토가 필수적이다.
○ 해외자원개발의 자본투자만이 아닌 기술투입을 통한 기술력 및 경제성 확보가 필요한 상황이며, 산업자원부의 제2차 해외자원개발 기본계획 중 해외자원개발 기술향상 및 인력양성 체계구축 중 대규모 노천채광과 관련하여 기술력 확보가 1단계 추진(2005-2008년) 목표 중의 하나로 설정되어 있다.
○ 해외자원 개발을 수행하는 민간 기업에서는 연구 인력의 부족으로 기술적인 문제에서 애로사항을 겪고 있음으로써 국가기관에서 기술적인 지원과 안정성 및 경제성을 확보하기 위한 채광기술연구에 대한 지원을 바라고 있는 실정이다.
○ 연구기관이 필요한 연구를 수행하기 위한 현장이 없기 때문에 연구현장을 제공해주는 기업의 현장에서 수행할 수밖에 없는 상황으로 기업과의 상호협조에 의해 서로의 필요성을 보완해야 하는 공동연구가 필수적이다.
나. 경제 및 사회적 측면
○ 외국의 광산들은 자체적으로 광산개발을 위한 개발 및 관리 시스템들을 연구기관과의 협력을 통하여 시스템관련 또는 사면의 안전성 해석을 위한 S/W를 상용화하여 자본만이 아닌 자체기술, 장비 등을 해외자원개발에 투입하고 이를 통해 확보된 기술들을 가지고 해외에 기술용역을 실시하고 있는 실정으로 기술용역에 따른 국내자본의 유출을 막기 위해 국내기술진의 기술확보가 필요하다.
○ 국내 자원의 부족에 따른 해외 자원개발이 필요하고 원자재 가격의 상승과 각국 간의 자원 전쟁화에 따른 해외자원의 안정적인 확보가 필요한 상황이며, 해외 자원개발은 자본투자에 의한 자원개발에서 개발인력 및 기술을 투입하는 직접투자방식으로 전환되고 있다. 국내 자원개발과 달리 해외자원개발의 경우 위험성이 높은 투자라는 점과 그 관리에 있어서 다양한 인자들을 고려할 때, 보다 과학적이고 경제적인 기술적 접근법이 요구된다.
○ 해외자원개발의 전략이 간접투자 방식에서 직접투자 방식으로 전환되고 있지만 기술인력의 부족현상을 겪고 있고, 기존의 현장에서도 자원보육국은 자국의 기술인력 확보를 위해 투자국의 인력자원의 제한 등과 같은 견제로 현장 기술인력의 부족으로 인하여 기술개발에 대한 자체 해결은 곤란할 뿐만 아니라 R&D에 대한 여유가 없다.
○ 기업의 R&D를 위한 인력부족에 의한 기술개발의 어려움을 지원해주기 위해 국가적인 차원에서 연구수행이 필요하며, 연구인력 측면에서 국책연구기관인 당 연구소가 본 연구업무를 수행해야 한다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
(2009년)
○ 대규모 최종 pit 설계기술 확립
- 현장실험 및 조사에 의한 현장암반강도 평가연구
- 실험/전산해석에 의한 최적 사면 설계연구
- 대규모 사면 계측 설계 및 계측자료 해석 연구
- 층서모델 반영 지하수 유동해석 및 검증(추적자 모델링)
○ 종합적인 노천광산 채광시스템 설계 기술
- 채광장 바닥부 대규모 발파패턴 설계
- 최종사면 벤치발파 공법 설계 및 시험발파
- 발파진동에 대한 사면안정성 영향 평가
- 광역지하수 모델링에 의한 배수공 설계
- 노천채광 조사/설계/시공/유지관리 관련 가이드라인 정립
○ 과제조기종료에 따른 과제결과 종합
(2008년)
○ 대규모 굴착사면 설계 및 안정성 평가
-현장실험 및 조사에 의한 현장암반강도 평가연구
-실험/전산해석에 의한 최적 사면 설계연구
-연약지반 사면에서의 국부적인 사면파괴연구
-전체 노천 채광장의 지하수 분포 특성 연구
-지하수 및 지표수가 사면안정에 미치는 특성연구
-사면안정화 대책 및 효과 검증
○ 대규모 노천채광 생산성 향상 위한 발파공법 개발
-발파공법에 따른 발파 효율성 평가연구
-노천발파로 인한 사면구조물의 진동영향 평가연구
-실측된 발파진동을 이용한 사면 동적안정성 해석연구
○ GIS 기반 사면 붕괴위험도 산성 시스템 개발
- 현장자료 분석 및 프로그램 개발
- 월별 붕괴위험도 맵 작성 및 현장 적용
(2007년)
○ 사면안정성의 인자별 영향 분석 및 평가기법의 정립
- 현장암석 물성시험
- 사면변위 계측
- 지하수위계 및 함수량계 설치 및 계측
- 안전성 영향요소 파악을 위한 현장자료 분석
- 최대 개발 한계 심도의 사면에 대한 안정성 분석
○ 대규모 노천채광의 사면 안정성을 위한 제어발파 기술 개발
- 현행 발파법의 문제점 파악
- 발파진동 측정 및 발파특성 분석
- 개선된 발파법 제시 및 시험발파
○ 운반 및 배수 및 운반의 최적화 및 pit 설계최적화
- 현재 및 계획 pit 범위내에서 경제성분석 및 툴개발
IV. 연구개발결과
○ 역해석, 강도실험자료 종합 분석
○ GPS에 의한 변위계측치에 의한 파괴예측
○ 사면 한계굴착고 및 안전율 도출
○ 2차원 수리-역학 연계해석 및 광역 3차원 지하수 해석
○ 사면안정성제고 및 지표수 처리를 위한 대책제안
○ 발파진동 측정 및 진동수준 예측식 도출
○ 지반진동 허용수준 설정 및 안전확보를 위한 발파 설계기준 도출
○ 논문게재 및 발표 : 8건
○ 강도실험 및 실험자료 종합 분석
○ 함수량/강우계/지하수위계 설치 및 계측
○ 열화상카메라 촬영 및 분석
○ GPS에 의한 변위계측 및 계측치에 의한 파괴예측
○ 배수공 설치 및 배수공에 의한 사면안정효과 분석
○ 지하수원 평가위한 추적자 실험
○ 주요 대상물에 대한 지반진동 허용수준 설정
○ 안전확보를 위한 발파 설계기준 도출
○ GIS 기반 전체 사면붕괴위험도 맵 작성 및 적용
○ 프로그램등록 : 1건(Pit Slide)
○ 경사계 및 지하수위계현장 설치 및 계측
○ 함수량 및 강우계 설치 및 계측
○ 변위계 설치 및 계측
○ GPS에 의한 변위계측실시
○ 최조 예정 사면 및 현재사면에 대한 안정성 검토
○ 파괴사면에 대한 역해석 실시 및 현지암반의 특성분석
○ 발파진동 계측에 의한 발파진동영향 분석
○ 발파패턴개선을 위한 시험발파실시
○ GSI를 이용한 배수처리 및 사면침식 위험개소 파악
○ GSI를 이용한 운반시스템 최적화 기술개발
○ Lerchs-Grossman algorithm에 의한 pit 최적화 분석
○ 프로그램등록 : 2건(MaxPit, DumpTraveler)
V. 연구개발결과의 활용계획
○ 대규모 채광사면의 안정성 확립기술 및 발파기술
⇒ 해외자원개발기업에 대한 관련기술의 기술지도 및 기술이전
※ 기술적용 대상광산: 동남아나 몽골지역 해외자원개발 수행광산 및 현재 탐사 개발 및 조사광산
○ 연약암반 채광사면의 안정성 평가기술
⇒ 동남아 해외자원개발기업에 대한 노천채광관련 기술의 이전 및 비슷한 환경의 동남아 건설현장에서의 사면에 적용
○ 채광 생산성 향상을 위한 GIS 기반의 배수처리 및 운반 관련 프로그램
⇒ 국내외 노천광산에서의 적용 및 상용화에 의한 확대 보급
○ 대규모 노천발파 기술
⇒ 광산 및 토목현장에서 활용
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원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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