412 Received: Nov. 16, 2012
Revised: Dec. 7, 2012 Accepted: Dec. 11, 2012
*Corresponding Author: Jaedong Kim Tel) +82332506256, Fax) +82332566256 E-Mail) jdkim@kangwon.ac.kr
Kangwon National University, 1 Kangwondaehak-gil, Chuncheon-si, Gangwon-do, Korea
3차원 모델링을 이용한 재개광 양양철광의 운반시스템 설계
손영진, 김재동*
Mine Haulage System Design for Reopening of Yangyang Iron Mine using 3D Modelling
Youngjin Son, Jaedong Kim*
Abstract To achieve mine development, a large amount of data concerned with the geological structure and the ore body had to be investigated and collected through geological survey, drilling and geophysical explorations. In most previous cases, however, the data were usually analyzed two dimensionally and those results showed some limits because of their 2D presentation. Those 2D maps such as geological plane sections or longitudinal sections cause lots of difficulties in understanding the complex geological structure or the feature of ore body in a spatial way.
In this study, research area was set on the abandoned Yangyang iron mine in Korea and the Sugaeng ore body within the mine was selected as the research target to design a mine haulage system for reopening. A 3D mine model of this area was tried to be constructed using a 3D modelling software, GEMS. An accurate 3D model including the ore body, the geological structure, the old underground mine drifts and the new mine drifts was constructed under the purpose of reopening of the abandoned iron mine. Especially, mine design for trackless haulage system was conducted. New inclines and drifts were planned and modelled 3 dimensionally considering the utilization of old drifts and shaft. In addition to the 3D modelling, geostatistical technique was adopted to generate a spatial distribution of the ore grade and the rock physical properties. 3D model would be able to contribute in solving problems such as evaluating ore reserves, planning the mine development and additional explorations and changing the development plans, etc.
Key words Mine design, 3D modelling, Mine reopening, Geostatistcs, Ore reserve, Mine haulage system
초 록 본 연구에서는 재개광을 계획하고 있는 (구)양양철광의 수갱광체를 연구대상으로 설정하고 이를 재개광하기 위한 운반시스템의 구축을 목적으로 광체 및 광체 주변의 지질구조와 구갱도 현황 및 신갱도 개설 계획을 3차원으로 모델링 하였다. 연구에 사용된 software는 GEMCOM社의 GEMS로써 3차원의 매장량평가, 개발타당성 평가, 운영 관리용 프로그램이다. 2차원 지형도와 지표 지질도를 자료로 하여 지표 지형 및 지질을 3차원으로 모델링 하였으며 (구)양양철광 개발 당시 작성된 지질 단면도와 시추자료를 토대로 연구대상지역의 지질 구조 및 광체를 3차원적으로 생성하였다. 수갱광체는 충전된 채굴적, 공동, 잔광으로 구분하여 모델링하고 잔광부의 품위에 대한 시추 정보로부터 지구통계학적 기법을 적용하여 품위별 매장량 평가 결과를 얻을 수 있었다. 또한 기존 2차원 구갱도 개설 현황 자료를 이용하여 구갱도에 대한 3차원 모델링을 수행하였고, 무궤도 운반 시스템의 적용을 고려하여 신갱도의 크기와 배치 를 3차원으로 설계하였다. 완성된 광체 및 운반 시스템의 3차원 모델을 이용하여 지하선광장의 위치를 선정하였다.
마지막으로 채취한 시료의 암석 물성값들을 기초로 광체 주위에 부존하는 물성을 암종별로 입력하고 지구통계학적 기법을 통해 미조사 부분에 대한 암석물성을 추정할 수 있는 3차원 공학적 모델링을 수행하였다. 이러한 과정을 통하여 얻어진 재개광 광산의 3차원 모델은 매장량 평가 및 개발계획 수립, 추가 탐사 지역의 선정이나 개발 계획의 변경 등의 문제들을 해결하고 체계적이고도 지속적인 광산 개발 기술 확립에 기여할 수 있을 것이다.
핵심어 광산 설계, 3차원 모델링, 재개광, 지구통계학, 매장량, 광산 운반 시스템
1. 서 론
국내 광산은 규모가 작고 지질구조와 광체의 형상이 복잡하여 개발에 더욱 정교한 3차원 기법의 기술이 필 요하지만, 3차원 모델링에 대한 기술력과 경제성의 문 제로 과거의 방식을 고수하고 있는 형편이다. 즉 지금 까지 대부분의 광산에서는 3차원 공간상에 존재하는 지
질 구조, 광체, 갱도, 채굴적 등을 2차원 도면에 기록하 여 왔으며 이를 근거로 한 개발은 많은 시간과 비용의 낭비 그리고 부정확성을 초래하였다.
최근 광업 분야에서는 지표지질조사, 물리탐사, 시추 조사, 각종 물리 역학적 시험 등 모든 조사 자료를 3차 원 공간 데이터베이스화하여 이로부터 구성된 3차원 모 델을 매장량 및 품위분포 등의 경제성 평가에서부터 광 산 설계, 채굴 계획 수립 및 가행단계의 공정관리 등 광 업 전반에 활용하고자 하는 노력이 호주와 미주 및 남 아프리카를 중심으로 활발히 진행되고 있다(Park et al., 2006; Lee et al., 2006). 이러한 3차원 기법은 1980년 대 후반 인도에서 금광의 폐석을 효율적으로 처리하기 위하여 처음 도입 되었으며 최근의 기술은 자원개발 회 사나 학계의 많은 연구에 의해 개발되어 자리 잡게 되 었다(Ray, 2000).
현대 광산은 초기 탐사 단계부터 광해방지에 이르기 까지 3차원 기법을 광범위하게 사용하고 있는 추세이 다. 이와 같은 선진기법은 신속하고 정확한 작업 환경 을 제공하기 때문에 세계의 수많은 광산 현장에서 작업 을 수행하는데 매우 효율적인 것으로 인식 되고 있다 (Kapageridis, 2005). 또한 3차원 기법의 도입으로 광산 설계의 기술적 수준이 향상되어 과거의 광산 설계 방식 에서 발생하는 광산의 심부화 및 복잡성에 대한 문제를 감소시킬 수 있게 되었다(Kaiser et al., 2002).
본 연구에서는 2011년 현재 재개광을 준비하고 있는 (구)양양철광의 수갱광체가 부존하고 있는 지역을 연구 대상으로 하여 3차원 모델링을 이용한 재개광 설계를 하고자 하였다.
2차원 지형도와 지표 지질도를 자료로 하여 지표 지 형 및 지질을 3차원으로 모델링 하였으며 시추 자료와 지질 단면도를 토대로 연구대상지역의 지질 구조 및 광 체를 3차원적으로 생성하였다. 특히 광체를 과거의 채 굴적과 공동, 현재의 잔광으로 구분하여 모델링하고 잔 광에 대한 지구통계학적 기법을 적용하여 품위별 매장 량 평가 결과를 얻고자 하였다(Ozturk, 2002; Oh et al., 2004). 다음으로 기존 2차원 구갱도를 3차원으로 모델 링 하였으며 무궤도 운반 시스템의 적용을 고려하여 신 갱도의 크기와 배치를 3차원으로 설계하도록 계획하였 다. 이렇게 완성된 광체 및 운반 시스템의 3차원 모델을 이용하여 지하선광장의 위치를 선정하였다. 마지막으로 2012년 현장에서 채취한 시료의 암석 물성값들을 암종 별로 입력하고 지구통계학적 기법을 통해 미조사 부분 에 대한 암석물성을 추정할 수 있는 3차원 공간적 모델 링을 수행하였다.
광산개발을 위하여 3차원 모델링을 활용한 선진기법
을 적용함으로써 광체와 지질구조에 대한 공간적인 분 석과 광체의 품위별 정량적인 매장량 평가 및 최적화된 갱도 설계가 가능하게 되었고 개발 단계에서도 지속적 으로 3차원 모델링 기법을 이용할 경우 보다 효율적인 광산 운영이 이루어지게 될 것으로 기대한다.
2. 지질 및 광상
2.1 위치 및 지형
(구)양양철광은 일본 강점기인 1933년 개광되어 1995 년 폐광되기 전까지 누적생산량 천만 톤 이상의 철광석 을 생산하였던 광산이다. 이 지역은 양양읍에서 북서쪽 방향 외곽지에 위치하며, 지리 좌표 상으로 동경 128°
33′ 10.405″∼128° 34′ 10.405″, 북위 38° 04′ 00″∼38°
06′ 00″에 해당된다. 행정구역상으로는 강원도 양양군 서면 장승리, 서선리와 양양읍 화일리에 걸쳐 있다.
이 지역은 설악산국립공원의 관모봉(887ML) 남서측 에 위치하며 지형의 기복이 암석 및 지질구조와 연관성 을 가지고 발달한다. 주 산계의 방향은 북측에서 남측 방향으로 물안골계곡, 서선리계곡(무남골), 흑간리계곡 (사항골), 가좌골 계곡을 중심으로 하여 4개조의 산계가 발달되며 이들 산계의 동측일대에서는 화일리-서선리- 장승리를 연결하는 N15E 방향의 서선리 단층에 의해 일부 산계가 단절되기도 한다(KORES, 2010).
2.2 지질 및 지질구조
(구)양양철광 일대의 지질은 선캄브리아기의 편마암 류(PEgn), 변성퇴적암류(PEms)와 이를 관입한 시대미 상의 섬장암(Sy), 중생대 백악기에 관입한 화강암(Kbgr) 및 암맥류(Ad)로 구성된다. 연구지역 내에는 지질 및 광상을 규제하는 수많은 단층들이 있고 야외에서 측정 된 엽리 및 층리, 절리 등이 일대에 걸쳐 분포하고 있다 (Lee and Kim, 1968; So et al., 1975; KORES, 2010).
2.2.1 지질개요
(구)양양철광 일대의 지질은 광산의 재개광을 위하여 2010년 한국광물자원공사에 의해 정밀 조사(KORES, 2010)된바 있다. 이 지역은 Fig. 1과 같이 제 115 광구 와 제 116 광구에 해당한다.
(구)양양철광 일대의 기저를 이루는 편마암류는 최하 부 선캄브리아기 지층으로 제 116 광구 동측과 남서측 일대, 제 115 광구 서측 일대에서 NE방향의 단층과 섬 장암의 관입에 의해 동서로 양분되어 분포한다. 본 암 류는 일부 화강암질편마암을 제외하고는 엽리의 발달 이 비교적 양호하나 이들의 방향은 부분적으로 단층 및
Fig. 1. Geological map of Yangyang area(Choi et al., 2010)
습곡작용에 의해 교란되기도 한다. 편마암류 분포지 남 측에서는 N20∼30W, 북서측 일대에서는 NS∼N40E 의 방향성을 보이며 경사는 40∼80°로 북동내지 북서 방향이 일반적이다.
변성퇴적암류는 섬장암 분포지내에 잔류되어 북측에 서는 N30E, 중앙부에서는 NS, 남측에서는 N40W방향 의 완만한 습곡구조를 보여주며 연장은 약 3 km가 추 적되나 단층에 의해 절단, 이동 혹은 섬장암의 관입에 의해 단절되기도 한다. 이 지역의 암석들은 층서적 변 화와 변성상의 상이함을 지시하는 것으로 보이나 지표 상에서는 섬장암과 함께 심한 풍화작용으로 노두 노출 이 불량할 뿐 아니라 시추결과를 분석하여도 혼재 또는 급변하는 경우가 많아 이들의 경계는 관측하기 어렵다.
시대미상의 섬장암류는 편마암 및 변성퇴적암류를 관 입하여 제 115 광구, 제 116 광구 중심부를 따라 남북 방향을 장축으로 하는 타원체의 광범위한 분포를 보이 나 제 115 광구 북단에서는 화강암류의 관입에 의해 그 규모가 축소된다. 본 암류는 담회색, 회색, 암회색, 홍회 색 등을 띠는 조립질의 등립완정질암으로 담홍색의 장 석이 반정을 이루는 반상섬장암이 주를 이루나 반정의 발달이 없는 괴상의 섬장암도 분포한다. 반정의 크기는 1×2 cm의 것이 가장 보편적이나 미약한 엽상구조와 함 께 선상배열 되어 있기도 하며 부분적으로 유색광물의 양이 감소하여 우백질섬장암으로 이화되기도 한다.
(구)양양철광 일대의 지층들은 선캄브리아기의 편마 암류를 기반암으로 하여 남북방향으로 길게 관입한 섬 장암과 다시 이들을 관입하여 북측 연장을 단절하는 화 강암이 있다. 이들은 습곡 및 이와 관련된 엽리, 선구조, 절리, 단층 등의 지질구조 요소들이 여러 차례에 걸친 변형작용에 의해 발달되어 이 지역의 지질 및 광상을 규제하고 있다. 또한 변성퇴적암류 및 섬장암류의 분포 지역에 수많은 단층들이 파쇄대를 이루고 있다(Choi et al., 2010).
이 지역의 지질구조에 가장 주요한 영향을 미치는 단 층은 주향에 따라 NNE계, EW계, NE계로 대별될 수 있다. NNE계로는 서선리단층, 수침동단층, 오십인총단 층, 양양단층이 있으며, EW계로는 도목단층이 대표적 이다. 이외 갱내 및 지표에서 관찰되는 NE계의 단층이 있다(KORES, 2010).
특이할만한 습곡구조는 보이지 않으며, 지질 구조가 남북 방향의 습곡축을 갖는 향사구조를 나타내고 있으 며, 향사의 양쪽 날개 지층은 모두 50°∼70° SE의 경사 를 보이고 있다(Choi et al., 2010).
절리는 본 연구지역의 광상성인과 큰 관련이 없지만 분포된 지층의 절리를 분석함으로써 이와 관련된 갱도 의 안정성, 효율적인 굴진방향설정, 지표수의 유입, 관 입암의 방향과 지질구조와의 연관성 등 특성을 파악 할 수 있다.
2.3 광상
과거 탐사와 개발 과정을 거치면서 이 지역에서 확인 된 광체는 크게 대별하여 5개로 나눌 수 있다. Fig. 2는 1994년 폐광당시 작성된 광체 현황으로써 남쪽에서 북 쪽 방향으로 논화광체, 양논광체, 수갱광체, 양양광체 및 도목광체가 발달되어 있다. 각 광체들은 다시 여러 개의 대소 광체들로 구성되어 있으며 양양광체와 도목 광체를 제외하고는 모두 지하에 잠두된 광체들이다.
각 광체들의 특징은 다음과 같다(KORES, 2010).
논화광체는 N10W, 40∼60NE의 주향 및 경사를 가 지며 장경 180 m, 단경 10∼20 m, 심도 70 m가 확인되 는 광체로 가행당시 거의 채진 되었다. 이 광체의 분포 심도는 30∼150 ML의 지표에 가까운 천부에 발달하며 채진 된 지하공동에 의해 지표부 곳곳에서는 함몰대를 형성하고 있다.
양논광체는 논화광체와 양양광체 사이에 부존하는 광 체로 -100∼-200 ML 하부 수준의 북쪽에서부터 양논1호 광체, 2호광체, 3호광체, 4호광체의 순으로 분포하며, 양 논1호광체는 같은 수준의 수갱남향광체와 인접해 있다.
Fig. 2. The status of ore bodies in abandoned Yangyang iron mine
양양광체는 논화광체에서 약 450 m 북측에 발달하는 양양본광체와 여기서 250 m 북측에 떨어져 있는 양양7 구광체로 대별되며 이들은 동일 수준과 층준을 이루어 발달하고 있다. 이 광체는 노천채굴에서 시작되어 하부 개발이 이루어졌으며 장경 300 m, 단경 20∼40 m, 심 도 140 m가 확인된 렌즈상 광체로 (구)양양철광의 최 대 규모 광체이다. 하지만 본 광체는 오래 전에 채굴이 완료된 상태이며 최근 조사에서는 노천채굴적의 일부 에서 저품위 광체(Fe 19.6∼26.7%)를 보인다. 이 결과 로 보아 채굴 완료된 공동 연변부에는 이러한 품위 범 위의 저품위 자철광체가 어느 정도 잔존되어 있을 것으 로 추측 된다.
수갱광체는 양양광체와 동일 층준을 이루는 광체로 상부에 분포하는 양양광체가 첨멸되면서 그 하부에 다 시 생성되어 발달된 것이다. 이 광체는 다시 220 ML 갱에서 330 ML 갱 사이에 분포하는 수갱남향광체, 수 갱중앙광체, 수갱북향광체로 나눌 수 있다.
도목광체는 양양광체에서 북서측으로 1 km 떨어진 무남골에 위치하며 EW 방향의 도목단층에 의해 변위 되어 나타난다. 도목단층은 800 m 내외로 수평 이동된 좌수향단층으로 탑동, 서2갱광체 및 도목심부광체를 단 절하기도 한다. 도목광체는 지표에서 -100 ML 상부에 분포하는 도목상부광체와 그 하부에 분포하는 도목심 부광체로 구분할 수 있다.
본 연구의 연구대상광체인 수갱광체에 대해서는 다음 2.4절에서 상세히 기술하였다.
2.4 연구대상광체
(구)양양철광 일대에 분포하고 있는 5개의 광체 중 수 갱광체를 연구대상광체로 선정하였다. 수갱광체를 연구 대상광체로 선정한 이유는, 과거 가행 당시와 최근 조 사된 시추공에 대한 자료가 비교적 풍부하고 양호하기
때문이며 재개광의 측면에서 볼 때, 개발 가능성이 높 은 실제 잔광을 보유하는 광체를 대상으로 연구를 진행 하는 것이 합당한 것으로 판단하였다.
수갱광체는 수갱남향광체, 수갱중앙광체, 수갱북향광 체 등 세 광체로 이루어져 있는데, 이 중 수갱북향광체 는 규모가 작고 구 광산의 채광과정에서 채진 되어 잔 광이 없는 것으로 보고되어 본 연구에서는 제외하였다.
수갱남향광체는 220 ML 갱도에서 하부로는 330 ML 갱까지 확인된다. 광체의 규모는 상부인 220 ML 갱에 서는 장경 80 m, 단경 60 m인 광체와 소규모(40×10 m)의 3∼4개조 광체로 구성되어 하부로 발달하다가 300 ML 갱에서는 장경 110 m, 단경 15 m를 보이고 320 ML 갱도 수준에서 첨멸되는 양상을 보여주며, 광 체의 하부발달은 대체로 주향 S24E, 경사 64°로 진행하 고 있다. 본 광체는 290 ML 갱 상부구간은 대부분 채 진 되었으며 290 ML에서 320 ML 갱 구간은 약 90%
가 잔존하고 있다.
수갱남향광체에 비해 비교적 작은 규모의 수갱중앙광 체는 230 ML 갱에서 하부로는 400 ML 2중단갱 까지 확인된다. 광체의 규모는 상부인 230 ML 갱에서는 장 경 80 m, 단경 10∼15 m를 보이다가 300 ML 갱에서 는 장경 85 m, 단경 60 m를 보여준다. 본 광체는 하부 로 가면서 축소되어 400 ML 2중단갱에서 첨멸되는 양 상을 보여주며, 하부발달은 대체로 주향 S54E, 경사 44°로 진행하고 있다. 광체는 290 ML 갱 상부구간은 전량 채진 되고, 290 ML 하부로는 절반 가까이 잔존하 고 있다(KORES, 2010).
Fig. 3은 연구대상광체와 주변 암석의 구역을 나타내 는 그림이다. 연구대상지역의 범위는 동서 방향으로 809 m, 남북 방향으로 618 m, 심도는 약 220 ML∼
-300 ML이다.
Fig. 3. Geological map of research area
3. 3차원 모델링 software
3.1 Software 기능 및 특징
GEMCOM社의 GEMS software는 3차원의 매장량 평가, 개발타당성 평가, 운영 관리용 프로그램으로서 현 재 전 세계 대규모 광산에서 활용되고 있다. 데이터관 리자의 Open Database Connectivity(ODBC) 시스템이 호환성을 제공하기 때문에 신속하게 정보를 공유할 수 있으며 데이터 분석자들을 위하여 구성도 높은 분산, 통계, 로그 및 확률이라는 옵션을 제공하고 있다(Gemcom Software International Inc., 2011). 또한 광업 분야에서 광체 및 지질 모델링, 광산설계, 채굴계획 수립 등에 3 차원 모델링이 이용되며 데이터베이스 기반의 소프트 웨어로서 원하는 다양한 항목의 특성을 편집하여 분석 할 수 있다. 또한 복잡한 광체 및 지질구조를 구성하는 기능이 우수하다(Park et al., 2006).
또한 3차원 모델링으로 완성된 광체와 지질구조에 대 해 지하굴착 공정을 계획하고 시뮬레이션 하여 광산 운 영에 관련된 일련의 공정을 수립할 수 있으며 광산의 최적화된 설계가 가능하다. 지질조건과 지반공학적 특 성을 3차원으로 모델링하여 가시화할 수 있고 3차원 공 간 데이터베이스를 구축하여 자료를 통합 관리하고 이 를 공간적으로 표현하는 기능이 탁월하다(Son et al., 2012).
연구대상광체와 그 주변의 3차원 모델링에서는 과거 탐사 및 채광 작업에 대한 현황, 지질도 및 지형도, 지
질 단면도, 광산보안도, 매장량산출도, 시추탐광자료, 물리탐사자료 등의 기존자료 및 문헌자료들과 현장조 사를 통한 자문 등을 토대로 GEMS를 이용하여 광체의 형상을 구축하고 광산지역의 지질구조와 갱도현황을 모델링 하였다. 또한 지구통계학적 기법을 이용하여 광 체의 품위와 암반에 물성 분포를 나타내어 재개광의 최 적화된 채굴계획 수립을 가능하게 하였다.
Table 1은 GEMS가 지닌 다양한 기능에 대한 모듈을 정리한 것이며, 본 연구에서는 Tools, Geology, Survey 모듈을 중점적으로 활용하였다.
3.2 3차원 모델링 과정
지금까지 광산개발에서 사용되어 왔던 2차원적인 자 료나 도면들은 3차원 상에 배치된 구조나 시설 등을 2 차원으로 표현한 것이기 때문에 이들을 다시 3차원적으 로 구성하고 분석하는 데에는 많은 어려움이 있었다.
본 연구는 구 광산의 재개광을 위한 3차원 지질 및 광체 모델링을 목적으로 하며 Fig. 4는 3차원 모델링을 위한 입력 자료의 구성과 모델링이 진행되는 과정을 보 여주고 있다.
3차원의 지질 및 광체 모델링을 위한 입력 자료는 지 질조사, 시추조사, 물리탐사, 실내시험 등에서 얻어진 모든 자료들로 구성되며, 이 자료들은 GEMS를 통해 3 차원 공간 데이터베이스로 저장된다. 이러한 데이터 구 조가 연계되어 3차원 모델을 구축할 수 있다(Kaufmann and Martin, 2008).
Table 1. GEMS software modules
GEMS Module Short Description
Tools
Core 3D rendered viewing capabilities for topographic, polyline and point data Volumetrics Generate volume reports from geological and mine planning solids and surfaces Polygons Create 2D resource estimates or model mine plans with unlimited data attributes Surface and
Solid Modelling Create wireframe models of geological features, surfaces and underground workings Drillhole Management Manage, query and display drillhole information
Geology
Basic Statistics General data analysis, minimum value, maximum value and mean Geostatistics Trend analysis, variogram modelling and validation
Block Modelling Tools for modelling and reporting material attributes in 2D and 3D GDM
Strip Log Create digital strip logs from drillhole data
Engineering
Short Term Planning Easy to use graphical sequencer for mining cuts and tools for reporting and analysis Pit and Dump Design Comprehensive open pit mine and dump design toolkit
Mine Roads Basic road design toolkit to create road surface wireframes from design parameters Long Term Planning Planning tools for material management through multiple working periods with set
mining targets
Tunnel Design Simplifies the design process by reducing the number of steps required to create tunnel layouts
Survey Survey Interface with survey data collectors and manage control station data and asbuilt information
Scheduling
Production Scheduler Rapidly generate accurate production schedules using a fully interactive Gantt chart Auto Schedule Module Automatically schedule activities with targets while balancing and maximising resource
utilisation
Fig. 4. Process of 3D geological and engineering modelling
(a) 3D model of the surface topography (b) The plane section of the 3D surface model Fig. 5. 3D model of the surface topography and the plane section of the 3D surface model
3차원 모델링은 수집된 자료를 바탕으로 광체, 지질 및 지질구조 등을 가시적으로 모델링하는 지질학적 모 델링과 광체의 품위와 물리탐사 결과, 암석물성 자료 등을 이용한 공학적 모델링이 있다. 공학적 모델링 과 정에서는 지구통계학적 기법을 이용하여 미조사 부분 에서의 품위나 암석물성을 추정할 수 있으며 갱도나 채 굴적 등을 포함한 단면에 대하여 적절한 지보설계가 가 능해질 수 있다.
이러한 과정을 통하여 얻어진 3차원 지질 및 광체 모 델은 매장량 평가 및 개발계획 수립에 활용될 수 있으 며 광산 개발 중 대두될 수 있는 추가 탐사 지역의 선정 이나 개발 계획의 변경 등 실제로 나타날 수 있는 문제 들을 해결하는 데에 소요되는 시간과 비용을 절감할 수 있다.
4. 요소별 모델링
본 장에서는 연구의 중점 진행 부분인 재개광을 위한 3차원 모델의 요소별 모델링 과정에 대하여 기술하였 다. Fig. 4에서 보인 3차원 모델링의 전체 과정 중 본 연구에서는 지질도와 지질 단면도의 자료에 근거한 지 표 지형과 지질, 구 광산에서 시행된 131개 공 및 2010 년 이후 굴착된 16개 공의 시추결과, 구 광산의 광산보 안도와 매장량산출도에 근거한 광체 현황과 구갱도 자 료, 암석물성값 등을 요소별로 구분하여 단계적으로 모 델링하였다.
4.1 지표 지형 및 지질
지질도는 지표지질조사 및 갱내조사를 통해 작성되며 본 연구지역에서는 Fig. 3의 지표지질도를 3차원 모델 링을 위한 자료로 사용하였다.
Fig. 3의 2차원 지질도에는 지표 지형을 나타내는 등 고선과 갱도현황, 지질 단면도의 기준 측선의 위치, 노 두에서 관찰된 지질구조 및 단층 등 각종 정보가 표시 되어 있다.
지표 지형은 2차원 도면상에 표시된 등고선을 자료로 활용하여 3차원적으로 구성되었다. Fig. 5(a)는 2차원 지질도를 이용하여 연구대상광체 상부의 지표 지형을 3 차원으로 모델링한 것이며, Fig. 5(b)는 Fig. 5(a)의 지 표 지형에 노두에서 관찰된 지질 정보를 추가한 3차원 지표 지형 및 지질 모델의 평면도이다(Hormann et al., 2007; You, 2010).
얻어진 지표에서의 지형 및 지질 모델은 4.3절에서 지질 단면도를 이용한 지질구조 모델링에 기초 자료로 활용되었다.
4.2 시추 자료
GEMS의 입력되는 자료들 중 시추자료는 가장 중요 한 자료이다. 시추주상도에서 확인된 광체 자료를 분석 함으로써 광체 모델링이 가능하며 지질 구조 역시 보다 정확하게 파악할 수 있다.
GEMS에 입력되는 자료 중 시추공은 시추 지점의 공 간좌표와 시추 방향, 시추 심도 등에 의해 정의되며 심 도에 따라 파악된 지질이나 광체의 품위 등을 입력할 수 있다. 입력된 시추 자료는 광체의 형상이나 크기, 품 위 등을 산정 하거나 지하 심부의 지질 구조를 파악하 는데 필요한 자료로 활용된다.
(구)양양철광의 시추자료는 가행 당시 131공, 2010년 5공, 2011년 5공, 2012년 6공 등 총 147공이 존재한다.
연구대상지역과 관련된 시추공은 Table 2와 같이 15개 공이다(KORES, 2011). Fig. 6은 연구대상지역의 시추 공들을 모델링한 것이다.
Table 2. Drilling data of research area
Hole-ID Depth(m) Azimuth(°) Dip(°) Ore interval(m) Grade(%)
BH 69-2 300 0 -90
207.1 214.8 64.0
216.8 220.7 56.0
221.9 235.5 63.0
236.4 242.0 45.0
BH 69-3 300 0 -90 213.0 238.5 50.0
BH 70-1 240 0 -90 157.0 159.0 14.0
BH 70-3 330 0 -90 306.0 312.4 57.0
BH 70-5 380 0 -90 322.7 326.0 11.0
299.0 353.0 22.0
BH 73-1 310 275 -65
237.5 239.6 60.0
241.4 243.4 49.0
254.3 260.0 36.0
273.2 277.7 36.0
BH 73-2 360 275 -70 273.8 281.0 68.0
332.5 336.5 45.0
BH 77-3 500 0 -90 29.0 30.5 10.6
175.0 186.0 9.8
BH 78-1 450 0 -90
351.0 383.1 53.6
388.6 389.9 63.0
392.0 392.7 55.0
BH 80-5 400 0 -90 305.7 310.0 15.0
BH 84-1 600 0 -90 24.4 25.0 40.0
539.4 556.3 33.0
BH 87-2 400 0 -90
178.0 190.0 20.0
306.2 310.0 15.0
322.0 328.0 15.0
BH 10-3 250 275 -70 232.3 240.0 19.7
240.0 240.5 55.9
BH 10-4 330 270 -70 197.2 198.1 17.2
BH 10-6 440 275 -70 144.8 271.4 12.1
270.4 272.0 13.1
Fig. 6. 3D model of drilling holes in the research area
4.3 지질 단면
지질 단면도란 지질도 상에 표시된 지표에서의 암석
분포와 시추공이나 물리탐사 자료 등을 기초로 하여 특 정한 수직 단면에서 추정되는 암층들의 분포상태와 이 들의 상호관계를 알기 쉽게 표현한 도면이다. 이러한 지질 단면도를 복합적으로 연결하면 그 지역의 지질 구 조를 입체적으로 파악할 수 있다(Bae, 2000). 현재 국내 대부분의 광산에서는 2차원 지질 단면도를 지하 지질구 조의 파악과 광체 형상의 분석 등을 이해하는데 주요한 자료로 사용하고 있다. 하지만 2차원 지질 단면도를 이 용한 기존의 방법은 광체와 지질 구조의 형태를 공간적 으로 해석하는데 어려움을 지니고 있었다.
따라서 본 연구에서는 2차원적인 해석의 단점을 보완 하고 보다 정확한 지질구조 파악을 위해 2차원 지질 단 면도를 이용한 3차원 지질구조 모델링을 수행하였다.
(구)양양철광 일대의 지질 단면도는 자료상으로 총 15매가 작성 되어 있으며 이 중 연구대상지역과 관련
Fig. 8. Cross sections corresponding to the lines in Fig. 7
Fig. 9. An example of cross section additionally generated between D-D′ and E-E′ section Fig. 7. Lines (C-C′, D-D′, E-E′, F-F′) of the 4 vertical sections
작성된 4매의 단면도 측선(C-C′, D-D′, E-E′, F-F′)을 표시하고 있으며 Fig. 8은 그 측선들에 해당되는 단면 도들이다.
3차원 지질 구조 모델링은 단면도 간의 간격이 좁고, 각 단면에서 지질구조의 변화가 적을 경우 정밀도가 높
경우에는 2차원 단면으로 3차원 모델링을 수행하는 과 정에서 필연적으로 오차가 발생한다. 따라서 본 연구에 서는 단면도의 매수를 증가시켜 지질구조 모델링의 오 차를 줄이기 위해 단면도 간의 미조사 부분에 대해 시 추 자료를 이용하여 13매의 추가 단면도를 생성하여 보 다 정밀한 지질 구조 모델링을 수행하고자 하였다.
Fig. 9는 본 연구에서 Fig. 7의 D-D′ 단면과 E-E′ 단 면 사이에서 추가로 생성된 단면의 예를 보여준다.
이와 같은 과정을 거쳐 앞에서 구성한 3차원 지표 지 형 및 지질 모델과 지질 단면도들을 연결하여 3차원 지 질 구조 모델을 구성하였다.
Fig. 10은 2차원 지질 단면도를 이용하여 3차원 지질 구조를 모델링 하는 과정을 나타내고 있다. Fig. 10(a), Fig. 10(b), Fig. 10(c)는 연구대상지역에 부존하는 편마 암, 변성 퇴적암, 섬장암을 각각 모델링한 것이며 Fig.
10(d)는 결과적으로 형성된 연구대상지역의 3차원 지질 구조 모델이다.
(a) 3D model of gneiss (b) 3D model of metasediment
(c) 3D model of syenite (d) 3D geological structure model Fig. 10. The sequence of modelling the 3D geological structure using 2D cross sections
Fig. 11. 2D mine safety map (Kim et al., 2009) 4.4 광체
본 장에서는 연구대상광체의 품위별 매장량 평가를 위해 3차원 모델링을 수행하였다. 신규 광산의 경우에 는 지질 조사, 물리 탐사, 시추 조사 등으로부터 획득한 자료를 바탕으로 광체의 형상이나 규모를 파악하고 광 체 모델을 구성할 수 있다. 그러나 본 연구대상광산은 과거 채광에 대한 기록이 남아 있으므로 이를 기준으로 각종 조사나 탐사 자료를 더하여 광체를 모델링 하고자 하였다.
품위별 매장량 평가를 위한 3차원 광체 모델링 과정 은 먼저 기존의 광산보안도나 매장량산출도와 같은 2차 원 도면으로 3차원의 광체 형상을 모델링하고, 재개광 하는 광산이라는 점을 고려하여 광체를 채굴적과 잔광 으로 구분하여 모델링 하였다.
4.4.1 광체 모델링
지금까지 국내 대부분의 광산에서는 광체를 채굴하는 과정에서 얻어지는 광체의 위치, 규모, 채굴적 등에 대 한 정보를 Fig. 11과 같은 2차원의 광산보안도에 기록 하였다.
2차원적인 방법은 광산 정보의 다양하고 복잡한 특성 을 전부 반영하지 못하며 주관적인 판단에 의존성이 높 은 근본적인 문제를 가지고 있다. 또한 Fig. 12의 매장 량산출도와 같은 2차원 도면을 이용한 매장량 평가 시 복잡하고 형상 변화가 큰 광체의 경우 정확한 매장량을 평가할 수 없다.
또한 기존의 2차원 도면을 이용하여 광산을 개발할
Fig. 12. 2D ore production map (Kim et al., 2009)
Fig. 13. Ore body model formed using the mine production map
Fig. 14. Map of back-fill, cavity and ore safety map and the ore of the old mine
때는 광체 채광에 대한 일련의 과정들을 하나의 도면에 표시하고 기록했는데, 이는 작업의 효율성을 떨어뜨리 고 숙련된 작업자만이 관리가 가능하다는 단점을 가지 고 있었다.
따라서 본 연구에서는 2차원 광체 분석의 단점을 보 완하고자 3차원 광체 모델링을 수행하였으며 2차원 도 면에서는 확인하기 어려운 광체의 심도와 위치, 규모 등을 쉽게 파악할 수 있도록 하였다.
Fig. 13은 광산보안도와 매장량산출도를 자료로 하여 형성된 광체 모델이다.
3차원 모델링 결과, 2차원 도면에서는 확인하기 어려 운 광체의 형상과 위치, 규모 등을 쉽게 파악할 수 있으 며 다각도의 방향에서 광체를 공간적으로 분석할 수 있 게 되었다. 또한 3차원 모델에는 광체현황 뿐만 아니라 시추현황과 갱도 개설현황까지 함께 표시할 수 있으므 로 특별히 재개광의 경우에 필요한 효과적인 기법이라 할 수 있다.
이와 같이 3차원 광체 모델링을 수행하여 보다 정확 한 채굴계획과 관리가 가능해 졌으며 숙련된 작업자가 아니더라도 광산 개발에 대한 진행도를 쉽게 파악하여 작업의 효율성을 높일 수 있다. 그리고 채광작업 중 얻
어지는 자료를 3차원 모델링에 지속적으로 축적하여 광 산개발이 진행될수록 보다 정확하고 신뢰할 수 있는 자 료로 활용될 수 있다.
본 연구지역은 광산운영을 중단하였다가 재개광하는 광산이다. 따라서 과거의 채굴적에 대한 분석과 현재 잔존하고 있는 잔광에 대한 정확한 판단이 재개광하는 광산의 핵심이라 할 수 있다. 또한 가행당시의 매장량 을 정확하게 분석하고 잔광에 대한 모델링을 통하여 과 거와 현재의 매장량을 비교, 검토 및 수정하여야 정확 한 매장량 산출이 가능하다.
Fig. 14는 (구)양양철광의 폐광 당시 작성된 채굴적과 잔광에 대해 나타낸 도면이다. 그림과 같이 채굴적을 공동과 뒤채움 부분으로 구분하고 당시 파악된 잔광까 지 표시되어 있다.
Fig. 15는 Fig. 14를 이용하여 구성한 3차원 모델이다.
뒤채움과 공동은 이미 채광된 광체이나 현재 부존하 고 있는 잔광에 대한 정확한 위치정보를 제공할 뿐만 아니라 과거 채굴적에 대한 3차원적인 분석과 갱도굴진 및 특정 지역의 지보설계 등 광산의 안정성 해석에 유 용하게 활용된다.
특히 재개광 광산의 경우에는 이와 같은 과정을 통해 과거와 현재의 광체 매장량을 정확하게 분석함으로써 재개광을 위한 최적의 계획을 수립할 수 있다.
4.4.2 지구통계학적 기법을 이용한 매장량 평가 국내 대부분의 광산에서는 지질 단면도를 활용하여 매장량 산출 도면을 작성하고, 각 단면도에서 광체의 면적을 계산한 후, 서로 인접한 두 단면 사이의 광체에 대한 매장량을 평가한다. 이러한 평가 방법은 매장량 산출 단면도의 간격이 좁을수록 정확도가 높아지며, 각 단면에서 광체의 형상 변화가 작을 경우에는 신속하게
Table 3. Grade distribution of ore body
Grade (%) Volume (m3)
0∼18 32,625
18∼26 563,500
26∼34 252,750
34∼43 424,750
43∼51 206,875
51∼59 593,500
(a) 3D model of back-filled part (b) 3D model of cavity part (c) 3D model of remaining ore
(d) 3D ore body model Fig. 15. 3D ore body model
Fig. 16. 3D model of ore grade distribution
Fig. 17. An example of ore grade distribution status 평가할 수 있다. 그러나 광체나 매장량 산정 영역의 형
상이 복잡할 경우에는 2차원 단면으로 3차원 입체를 단 순화하는 과정에서 필연적으로 오차가 발생한다(Choi et al., 2009).
본 연구에서는 이러한 2차원적인 매장량 평가의 오차 를 줄이기 위해 광체에 대한 3차원 모델을 구성하였고 채광 대상인 잔광에 대해서 Table 2에 수록한 광체의 품위 자료에 지구통계학적 기법을 적용하여 품위별 매 장량을 평가하였다(Table 3). 지구통계학적 기법을 이 용한 3차원 광체 모델링은 광체의 공간적 품위 분포를 통계적으로 추정하여 매장량을 평가하기 때문에 정량 적이고 종합적인 매장량 평가가 가능하다. 또한 비용적 인 측면에서 많은 시추탐사를 할 수 없는 현실을 고려 해 볼 때 미시추 부분에 대한 품위 추정이 가능하다는 점에서 가장 경제적인 매장량 평가 방법이라고 할 수 있다.
Fig. 16은 위와 같은 방법으로 잔광에 대해서 3차원
품위 분포 모델링을 수행한 결과이며, Fig. 17은 특정 단면에 대하여 품위의 분포 상태를 추출하여 예시한 것 이다.
4.5 주운반 갱도 4.5.1 구갱도
Fig. 18은 2차원 도면에 기록된 (구)양양철광의 갱도 개설 현황도이다. Fig. 18에 포함된 구갱도는 수평 주운
Table 4. Specifications of the old shafts
Classification Shaft No. 1 Shaft No. 2
Depth 350 m 350 m
Standard 2.5×4.6 m (square) 2.0×4.3 m (square)
Transportation Equipment Ore(Skip)
Horsepower 150 HP,380 ton/day 333 HP, 1,860 ton/day
Winding speed 2.3 m/sec 6.0 m/sec
Capaciy 10-seater cage 3 ton skip
Fig. 18. 2D old mine drifts map Fig. 19. 3D model of old mine drifts and shafts 양양광업소의 재개광에서는 과거의 수평 주운반 갱도
중 일부를 확장한 후 보강하여 잔광의 채광에 이용하고 자 계획하였다. Fig. 18의 오른쪽(북쪽)에 위치한 제1수 갱은 노후화가 심하여 폐쇄한 후 수갱의 보호를 위하여 주변에 남겨 둔 고품위 보안 광체를 채광할 계획이며, 제2수갱(Fig. 18의 왼쪽에 위치)은 향후 심부 광체 개발 을 위해 유지하고자 계획하고 있다. Table 4는 (구)양양 철광에서 운영된 2개의 수갱에 대한 제원이다. 구갱도 들 중 일부는 새롭게 개설될 주운반 갱도와 연결되어 새로운 운반 시스템을 구성한다.
본 연구에서는 Fig. 18의 2차원 구갱도 개설 현황을 자료로 하여 3차원으로 모델링하였다. Fig. 19는 구갱 도에 대한 3차원 갱도 모델링 결과이다.
3차원 구갱도 모델로 부터 심도별 갱도현황을 한눈에 파악하고 광체와 갱도와의 공간적 거리와 각 갱도의 구 배 및 경사 등을 쉽게 분석할 수 있으며 구갱도를 고려한 신 갱도의 갱도 설계가 정확하고 신속하게 진행될 수 있다.
4.5.2 신갱도
양양광업소와 같이 갱내채굴이 이루어지는 광산에서 는 생산성을 높이기 위해 대형장비의 투입이 요구되며 채광이 계속 진행될 경우 막장이 점차 심부화 되고, 갱
가 높아지게 된다. 따라서 경제성과 안정성을 유지할 수 있는 대규격 갱도의 체계적인 설계가 필요하다.
본 연구에서는 갱내채굴을 체계적이고 효율적으로 설 계하기 위하여 실제 양양철광의 3차원 갱도 설계를 수 행하였다.
3차원 모델링은 기존 갱도를 확장한 현재 주운반 갱 도의 규모와 갱도 설계에서 가장 중요한 요소인 운반 시스템을 고려하여 수행하였으며 재개광에 따라 변경 된 갱도 설계를 반영하였다. (구)양양철광의 진입 갱도 는 2.5×2.0 m 크기였지만, 재개광에서는 대형 장비의 투입과 대량 생산에 의한 생산성 제고를 위하여 갱도폭 을 확장 하였고 운반 방식을 기존의 궤도식 운반 시스 템에서 무궤도식 운반 시스템으로 전환 하였다.
재개광 과정에서 운반 시스템을 무궤도식으로 전환시 킨 이유는 대규모의 광석과 버력을 처리하려면 로더 (loader)류의 장비와 광산용 트럭을 이용하기 때문에 갱 도의 규격이 대형화 되어야 하고, 체계적인 광산 개발 과 대량 생산에 의한 생산성을 제고시키기 위해서이다.
또한 최근의 광산 개발 경향은 생산 효율을 중시하므로 무궤도식 운반 시스템을 보다 널리 적용하고 있는 추세 이며, 이러한 시스템이 작업에 유동성과 탄력성을 가질 수 있고 조기 생산체제 유지가 가능한 합리적인 방법이 다(Kim et al., 2009). 이러한 특징들을 3차원 갱도 설
Table 5. The summary of the information of the incline
Sections Length (m) Elevation (ML) grade (°) Note
section 1 296 116 ∼ 61 11
section 2 265 61 ∼ 44 3
section 3 334 44 ∼ 11 6
section 4 270 11 ∼ -25 6 connection with sub 5 at -25ML
section 5 464 -25 ∼ -80 11
section 6 278 -80 ∼ -136 12 connection with sub 7 at -136ML
section 7 485 -136 ∼ -230 5 connection with sub 8 at -230ML
Total 2,392
Fig. 20. 3D model of a main haulage incline (side view) Fig. 21. 3D model of a main haulage incline (plane section) 계에 반영하여 모델링 하였다.
양양철광의 재개광에서 계획된 추정 생산량은 개발계 획기간 총 7년 중, 생산이 정상적인 궤도에 들었을 때 연 60~80만톤 규모이며 앞의 4.4.2절의 매장량 평가에 서 수갱광체의 잔광량은 품위 30% 이상인 경우 약 130 만톤 정도이다. 양양철광의 경우 수갱광체 외에도 주변 에 다수의 잔광이 존재하는 광체가 있고 향후 심부 광 체의 추가 발견 가능성도 있으므로 이를 고려하여 연 100만톤의 운반이 가능한 운반시스템을 구축할 필요가 있다. 이러한 운반시스템은 대규격 주운반용 사갱과 심 부 신규광체 개발에서 활용할 제2수갱(구 수갱)이 주축 을 이룬다.
Fig. 20과 Fig. 21은 (구)양양철광의 폐광 후 파악된 수갱 광체 및 기타 주변광체의 채광을 위하여 계획한 대규격 주운반용 사갱의 개설 계획을 3차원으로 모델링 한 결과이다. 갱구의 위치와 주운반 사갱은 잔광에 대 한 효율적인 채광과 향후 하부 신규 광체의 개발을 고 려하여 설계하였다.
계획된 주운반용 사갱은 Fig. 20에서 보이는 바와 같 이 총 7구간으로 구분할 수 있다. 116 ML에 위치한 갱 구에서 부터 1구간 61 ML까지를 1구간, 이후 44 ML 까지를 2구간, 11 ML까지를 3구간, -25 ML까지를 4구
간으로 구분하였다. 특히 4구간에서는 주운반 갱도를 -25 ML에서 분기시켜 과거 양양광체의 하부 잔광과 7 구신광체의 잔광을 재채광하기 위해 굴착했던 하5갱과 연결시키고 하5갱은 확장 보강하여 잔광을 재채광하기 위한 수평 주운반갱으로 사용하도록 하였다. 주운반 사 갱은 5구간과 6구간을 따라 수갱광체가 부존하여 있는 -136 ML에 이르면 수갱광체 북측의 도목광체 채광을 고려하여 과거 개설되었던 하7갱과 연결되도록 하였다.
7구간을 통해 갱도는 -230 ML까지 굴진되며 수갱광체 의 하부를 채굴하기 위해 구갱도인 하8갱과의 연결을 계획하고 있다. 하5갱, 하7갱, 하8갱은 (구)양양철광 채 광 시 주운반갱으로 사용되던 구 갱도들로서 재채광 갱 도 설계는 이들 갱도들을 확장 보강하여 다시 주운반갱 도로 사용하도록 하였다.
재개광에서는 심부 개발 시에 운반 효율을 높이기 위 해 기존의 제2수갱을 활용하도록 계획 하였다. 7구간의 -230 ML에서 주운반 사갱을 구갱도와 연결하여 광석 이 제2수갱을 통해 회수될 수 있도록 운반 갱도를 설계 하였다.
Table 5는 주운반 사갱의 개설 구간별 제원을 요약한 것이다. 주운반 사갱의 형상은 6.0×5.5 m 규격의 정방
Spec. App. Density (KN/m3)
Absorption (%)
Uni. Comp.
Strength (MPa)
Young`s Modulus (Gpa)
Tensile Strength (MPa)
Poisson`s
Ratio Porosity Specific Gravity
Syenite 27.25 0.211 206 50.3 6 0.221 1.2 2.72
Gneiss 26.48 0.546 151 46.5 4 0.240 0.7 2.64
Metasediment 27.80 0.489 136 44.8 3 0.238 2.5 2.78
Ore body 29.84 0.247 215 51.6 7 0.203 0.8 2.98
Fig. 22. The location of underground concentrating plant
Fig. 23. An example of a cross section showing the distribution of physical properties
형에 가까우며 적재용량 15톤 정도의 광산용 트럭이 운 행될 수 있는 규모이다.
완성된 3차원 갱도 설계 모델은 4.7절의 Table 6의 암석 물성 자료와 갱도굴진 전의 시추탐사, 굴진 중의 막장에서 관측된 RMR, Q, 조사선조사법 등에 따른 정 량적 수치 등을 이용하여 갱도의 안정성 해석을 가능하 게 했으며 효과적이고 안전한 갱도 설계를 하는데 기여 하였다. 또한 안정성 해석의 결과로 갱도 설계 시 투입 되는 지보 비용을 절감할 수 있다.
또한 폐광 후 폐갱도에 의해 일어날 수 있는 지반 침 하 문제와 갱도 안정성에 대한 문제도 미연에 예측하여 방지 할 수 있으며 광체를 목적으로 하는 주운반 갱도 의 경사, 구배, 폭과 같은 접근성을 고려하여 여러 가지 의 갱도 설계 시나리오로 비교 및 분석하여 재채광 광 체에 대해 집중할 수 있게 되었다(Son and Kim, 2012).
4.6 지하 선광장
지하선광장은 채광된 저품위 광석의 경우 포함된 금 속량에 비해 원광의 무게와 체적이 과다하므로 이를 채 광장에서 비교적 근거리에 있는 지하선광장에서 1차 선 광 처리하여 버력이나 광미를 지하채굴적의 되메우기 에 사용할 수 있도록 함으로써 지상의 2차 선광장까지 운반하는 운반량을 감소시켜 운반 비용을 낮추고 운반 효율을 높이며 지상에서의 환경 저해 요소를 감소시키 기 위해 계획되었다.
본 연구에서는 수갱광체에서 채광된 저품위 광석과 향후 심부 신규광체의 개발 시 필요한 1차 선광 작업을 고려하여, 심부 광체 개발을 위해 활용을 계획하고 있는 제2수갱 하부 -350ML 지점을 지하선광장 설치를 위한 최적지로 선정하였다. 3차원 모델에서 배치된 지하선광 장의 개략적인 위치는 Fig. 22에 나타난 바와 같다.
4.7 안정성 해석을 위한 공학적 모델링
본 연구에서는 공학적 모델링을 위하여 연구지역에서 채취한 시료에 대하여 실내시험을 실시하여 Table 6의 결과를 얻었다. 얻어진 암석 물성값들은 앞의 Table 2 의 광체 품위를 입력한 지점과 동일한 지점에 입력하고 지구통계학적 기법을 통해 연구대상광체 주변의 미조 사 부분에 대한 암석물성을 추정하는 3차원 공학적 모 델링을 수행하였다. 각각의 물리적 특성에 대한 측정법 은 한국암반공학회 표준암석시험법(2005a, 2005b, 2006a, 2006b)을 사용하였다.
Fig. 23은 공학적 모델링을 수행한 후 연구대상지역 내 임의의 단면에 대하여 각 암석에 부여된 물성값의 예를 보여준다. 여기에 예시된 물성값들은 앞에서 광체 의 품위를 지구통계학적인 기법을 적용하여 부여한 것 과 같은 방법을 적용한 결과이다. 이 결과는 임의의 단 면에 대해서 추출할 수 있으므로 암석이나 광체 내에 개설된 갱도 또는 채굴적 등에 대한 안정성 해석 모델 을 구성하는데 중요한 자료가 될 수 있다. 자유로운 방 향과 각도에서 분석할 수 있으며, 하나의 블록에 최소 8개 이상의 물성값을 중복하여 입력할 수 있어 암석의
안정성 해석에 유용한 자료로 활용될 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 재개광하는 (구)양양철광의 수갱광체 를 연구대상으로 설정하고 광체와 광체 주변의 지질 구조를 3차원으로 모델링 하고자 하였다. 연구에 사용 된 software는 GEMCOM社의 GEMS로써 3차원의 매 장량평가, 개발타당성 평가, 운영 관리용 프로그램이다.
본 연구에서 얻어진 결과는 다음과 같다.
지질, 탐사 및 시추 조사 자료와 채광 작업에 대한 자 료 - 지형도, 지질도, 시추탐광자료, 광산보안도, 매장량 산출도, 공동현황도, 갱도개설 복합평면도 - 등과 현장 조사 결과를 자료로하여 지표 지형 및 지질과 광체에 대해 모델링을 수행한 결과 이로부터 광체의 형상, 규 모, 심도 등의 정보와 광체 주변 지역에 대한 지질 구조 및 갱도현황을 파악할 수 있게 되었다.
광체는 다시 채굴적과 잔광을 구분하여 모델링 하였 으며 가시적인 모델링뿐만 아니라 잔광에 대해 지구통 계학적 기법을 적용하여 품위별 매장량을 평가하였다.
이러한 공간적 분포를 통해 종합적인 매장량 평가가 가 능한 3차원 모델을 구축할 수 있었다.
(구)양양철광의 2차원 구갱도 개설 현황 자료를 이용 하여 수평 주운반 갱도와 두 개의 수갱을 3차원으로 모 델링 하였다. 그 결과 심도별 갱도현황과 광체와 갱도 와의 공간적 거리, 각 갱도의 구배 및 경사 등을 쉽게 분석할 수 있으며 구갱도를 고려한 신갱도의 갱도 설계 가 정확하고 신속하게 진행될 수 있게 되었다.
완성된 3차원 구갱도 모델을 토대로 양양철광의 재개 광을 고려하여 무궤도 채광을 위한 운반 시스템을 3차 원으로 설계하였다. 구축된 3차원 갱도 모델에는 암석 물성 자료와 갱도굴진 전의 시추탐사 결과, 굴진 중 막 장에서 관측된 RMR 및 Q 분류치, 절리구조 등의 정량 적 수치 등을 입력할 수 있으므로 이후 추가적으로 갱 도의 안정성 해석을 수행할 수 있는 기반을 마련하였다.
본 연구에서는 완성된 광체 및 운반 시스템의 3차원 모 델로 부터 최적화된 갱도 설계 시나리오를 분석하여 지 하 선광장의 위치를 선정 하였다.
아울러 현장에서 채취한 시료의 암석 물성값들을 기 초로 광체 주위에 부존하는 물성을 암종별로 입력하고 지구통계학적 기법을 통해 미조사 부분에 대한 암석물 성을 추정할 수 있는 3차원 공학적 모델링을 수행하였 다. 그 결과 암석이나 광체 내에 개설된 갱도 또는 채굴 적 등에 대한 안정성 해석 모델을 구성할 수 있어 합리 적인 광산 설계가 가능하게 되었다.
이상과 같이 본 연구에서는 광체 및 지질구조, 지구통 계학적 기법을 이용한 매장량 평가, 갱도 설계, 지하 선 광장 위치 선정, 암석의 안정성 해석을 위한 공학적 모 델링 등 광산 설계에 포함된 일련의 과정들을 3차원으 로 모델링 하였다. 이러한 과정을 통하여 구축된 광산 개발을 위한 3차원 모델은 이후 광산의 생산 계획 수립 과 운영, 추가 탐사 지역의 선정이나 개발 계획의 변경 등 광산이 운영되는 과정에서도 지속적으로 수정, 보완 됨으로써 성공적인 광산개발의 중요한 도구가 될 수 있 을 것으로 확신한다.
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손 영 진
2011년 강원대학교 공과대학 지구시스 템공학과 공학사
Tel: 033-256-6256
E-mail: withjin09@kangwon.ac.kr 현재 강원대학교 에너지･자원공학과 대 학원 석사과정
김 재 동
1981년 서울대학교 공과대학 자원공학 과 공학사
1983년 서울대학교 공과대학 자원공학 과 공학석사
1988년 서울대학교 공과대학 자원공학 과 공학박사
Tel: 033-250-6256
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