A Case Study of Ground Subsidence in a Groundwater-saturated Limestone Mine

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지하수로 포화된 석회석광산의 지반침하 사례연구

최우석

¹

¹

¹

²

³

³

1

(주)산하이앤씨,

벽산엔지니어링(주),

한국광해관리공단

A Case Study of Ground Subsidence in a Groundwater-saturated Limestone Mine

Woo-Seok Choi ¹ , Eun-Sup Kim ¹ *, Byung-Chun Kang ¹ , Dong-Choon Shin ² , Soo-Lo Kim ³ , and Seung-Han Baek ³

1

SanHa E&C Co. Ltd,

ByuckSan Eng. Co. Ltd,

Mine Reclamation Corp.

Received 2 November 2015; received in revised form 2 December 2015; accepted 4 December 2015

본 연구는 충청북도에 위치하는 지하수로 포화된 삼성석회석광산에서 발생한 지반침하에 대한 사례연구로서, 대상 지 역의 지반조사 및 지반안정성평가를 바탕으로 침하원인을 규명하고 향후 침하가능성에 관하여 검토하였다. 조사 및 안정 성평가 결과에 의하면 채굴구역은 강우 유입으로 인한 전단강도 저하로 전반적으로 불안정하게 평가되었으며, 미채굴 구 역의 침하발생 주요 원인은 지하수위 하강에 기인한 것으로 판단된다. 향후 침하 가능성과 관련하여, 채굴공동 천단의 암반층 두께가 얇은 구간이나 인장절리 발달이 활발한 구간이 존재하고 채굴공동 주변의 지반상태가 불량하므로 침하가 발생할 경우 침하의 영향은 주변 지반으로 확산될 가능성이 있다. 또한 연구지역 내 석회암 분포지역에서는 석회암층 내 자연 용식공동의 함몰이나 양수 등 인위적 요인의 영향으로 인해 지하수위 저하나 강우침투에 의한 공동에서의 유로변 화 및 수위변화가 발생할 경우 추가적인 침하가 발생할 수 있으며, 이에 대한 보강 및 관리 대책이 필요할 것으로 판단 된다.

주요어: 석회석광산, 지반침하, 지하수, 채굴적

Groundwater causing subsidence in limestone mines is uncommon, and thus relatively poorly investigated. This case study investigated the cause and possibility of future subsidence through an evaluation of ground stability at the Samsung limestone mine, Chungcheongbuk-do. The ground near the mine area was evaluated as unstable due to rainfall permeation, and subsidence in the unmined area resulted from groundwater level drawdown. Future sub- sidence might occur through the diffusion of subsidence resulting from the small thickness of the mined rock roof, fracture rock joints, and poor ground conditions around the mine. In addition, the risk of additional subsidence by limestone sinkage in corrosion cavities, groundwater level drawdown due to artificial pumping, and rainfall perme- ation in the limestone zone necessitates reinforcements and other preventative measures.

Key words: limestone mine, ground subsidence, ground water, goaf cave

*Corresponding author: [email protected]

ⓒ 2015, The Korean Society of Engineering Geology

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erly cited.

서 론

광산지역의 지반침하는 광체 채굴로 형성된 지하공동 의 상반이 시간이 경과함에 따라 붕괴되고, 그 붕락이 점차 상부로 발달되면서 지표까지 연결되어 발생한다.

최근 이러한 지반침하에 따라 채굴적 상부에 존재하는 시설물의 안정성에 부정적인 영향을 끼친 사례가 빈번 하게 발생하고 있다. 특히 지반침하가 우려되는 석회석 광산은 주로 주방식 채광법을 적용하여 채굴적 규모가 상당히 큰 편이며, 트러프형 침하뿐만 아니라 대규모의 함몰형 침하가 발생할 가능성이 높다고 할 수 있다. 따 라서 침하 발생에 대한 예측이 매우 어려우며, 침하가 발생할 경우 인명 및 구조물에 큰 피해를 초래할 위험 성이 있다.

또한 석회석(CaCO

) 이 지하수(H

O) 와 이산화탄소 (CO

) 와 반응하면서 용해되어 생성되는 용식공동이 채 굴적 상부에 분포할 경우 상부지반의 안정성을 저하시 키는 요인으로 작용하여 침하를 발생시킬 수 있다(Park, 1999). 특히 채굴적 및 주변 지반이 지하수로 포화되어 있을 경우 채굴적이 지하수의 주 이동통로가 되어 지하 수 변화에 따른 지반강도 저하 및 암반 단위중량 증가 로 인한 지반침하를 가속화시킬 수 있는 위험성을 내포 하고 있다(Sun et al., 2010).

최근 들어 용식공동에 대한 석회암의 분포현황이나 지층 및 지질 구조에 따른 상관관계 분석연구(Kim et al., 2005; Ahn, 2007) 와 석회석 광산의 갱내 침수구역 예측을 위한 공간분석 연구(Park, 2015)가 진행된 바 있 다. 또한 석회석 광산의 지반침하 안정성평가 연구(Shin et al., 1996) 와 석회암 지역에서의 지반침하 현상을 예 방하고 침하량을 줄이기 위하여 석회공동의 보강 후 변 화에 대한 연구도 진행된 바 있다(Hong, 2004; Park, 2013). 그럼에도 불구하고 석회석 광산에서 발생하는 지 반침하의 주요 요인인 지하수의 영향에 대한 연구는 국 내외 사례 부족으로 인하여 미진한 실정이다.

본 연구는 충청북도 청원군 가덕면 청용리에 위치하 는 지하수로 포화된 삼성석회석광산에서 발생한 지반침 하에 대한 사례연구로서, 지반침하 원인 및 지반안정성 평가를 위해 지표지질조사, 전기비저항탐사, 시추조사, 현장시험, 공내영상촬영, 탄성파토모그래피탐사, 실내암 석시험 등의 조사를 수행하였다. 그 결과를 바탕으로 지 반의 분포상태 및 공학적 특성, 채굴적의 분포위치, 규 모, 발달상태, 채굴적 상부지반의 물성치 등을 파악하고 응력아치 체적팽창이론 및 유한요소해석 등을 통해 지 반안정성을 평가하였다. 또한, 연구지역을 채굴구역과 미 채굴구역으로 구분하고, 구역별로 침하원인 및 향후 침 하 가능성을 검토하였다.

Fig. 1. Geological map of the study area (KORES, 2004).

지질 및 채굴현황 지질

연구지역은 옥천변성대의 남서부에 속하는 지역으로 서 고생대 옥천누층군인 미동산층과 운교리층 등과 이 를 중생대 쥬라기에 관입한 청주화강암 등으로 구성된 다(Fig. 1). 최하위층인 미동산층은 연구지역의 남동쪽에 소규모로 분포하며, 주향은 북동-남서방향이며, 구성암 석은 대부분 사질기원의 규암 및 석영편암과 니질기원 의 사질천매암, 니질천매암의 호층으로 구성된다. 운교 리층은 조사지역을 중심으로 반경 500 m 내외에서 확인 되며, 주향은 북동-남서방향이고 경사는 북서방향으로 70~80

로 발달한다. 구성 암석은 저변성도를 보이는 세 립사암, 니질암류, 규암 및 결정질석회암으로 삼성석회 석광산은 운교리층내 협재된 결정질석회암이 개발대상 이다(KORES, 2004).

채굴현황

삼성석회석광산은 1965년에 채광계획인가를 획득하여 1978 년 6월에 노천채굴 방식으로 개발을 시작하였으며, 2005 년 이후에는 갱내채광 방식인 주방식 채광법으로 개발하였다. 갱내채굴을 통한 석회석 생산량은 2005년 에 채광법을 바꾼 시점부터 2010년 채굴적 침하가 발생 한 시점까지 총 161,131톤의 석회석을 생산한 것으로 추정된다. 갱도의 북단에서는 램프웨이 개념의 사갱 방 식을 채택하여 본갱의 하단으로 갱도를 연장 굴진하였 고, 갱도의 총연장은 약 650 m, 평면도상 면적은 6,770 m

에 달한다. 갱도는 개설 수준에 의해 4개의 구

역으로 구분가능하며, 제1구역 114.59 ML, 제2구역 106.74 ML, 제3구역 96.45 ML, 제4구역 92~97 ML에 개설되어 있고, 이웃구역과는 사갱으로 연결되어 있다 (Fig. 2).

지반침하 현황

지반침하는 Fig. 3과 같이 2007년 9월 지표함몰지(1 차 함몰)가 처음으로 발생하였으며, 광산 갱내채굴지역 의 상부지점인 논의 일부가 함몰되었다. 2008년 4월과 2009 년 2월에 갱내에서 다량의 지하수가 유출되었고, 점 진적으로 소류지 수위가 하강하다가, 2010년 6월에 소 류지의 수위가 급격히 하강하기 시작하여 전량 누수되 는 현상이 발생하였다. 이로 인하여 소류지 주변 지역 가옥, 도로 등에 균열이 생기며 2차 침하가 발생되었다.

2012 년 9월에는 1차 함몰지 인근에 추가적인 3차 함몰 침하가 발생하였으며, 3차 지반침하는 1차 및 2차 지반 침하와 달리 채굴적이 완전히 포화되어 있는 상태에서 발생하였다.

지반침하로 인한 피해는 농경지, 저수지, 주거지, 도 로로 구분되며, 농경지는 채굴적 직상부에 침하지가 위 치하나 저수지와 주거지 및 도로는 채굴적에서 약 50 m 이상 이격된 위치에서 구조물에 균열 및 변상이 발생되 었다(Table 1). 균열 및 변상이 발생한 위치를 보면 대 체로 석회석이 분포하는 구간을 따라 지하수 유동이 발 생한 구간에 분포하는 경향을 보이며 저수지 누수 사고 후 인근 도로와 단독가옥에 집중적으로 발생하였다.

Fig. 2. Plan, cross section and 3D modelling of Samsung limestone mine goaf.

지반조사 결과

지반조사는 지질 및 채굴현황 등 현황조사 자료를 검 토하고 연구지역을 채굴구역과 미채굴구역으로 구분한 후 각 구역에 적합한 조사가 수행될 수 있도록 조사항 목 및 수량을 계획하였다. 조사항목은 전기비저항탐사, 시추조사, 물리검층(시추공영상촬영, 속도검층, 밀도검 층), 현장시험(표준관입시험, 공내재하시험, 암반투수시 험, 지하수위측정), 실내시험(암석 일반물성시험, 일축 및 삼축시험)으로 구분되며, 관련규정에 따라 조사를 수행 하였다.

전기비저항탐사

본 연구에서는 전기비저항탐사를 실시하여 채굴적의 규모, 위치, 채굴적 상부 및 주변지반의 이상대 분포특 성 등을 파악하였다(Fig. 4, Fig. 5). 탐사배열은 쌍극자 배열(Dipole-Dipole array)을 적용하였고, 그 결과를 분 석한 후 추가적인 확인이 필요하다고 판단되는 지점에 대해서 슐럼버져배열(Half Schlumberger array)을 이용 하여 수직적인 비저항분포특성을 파악하였다. 쌍극자배 열은 총 18측선, 연장 3,560 m를 수행하였으며, 슐럼버 져배열은 총 11측점에서 각각 지표 하 80 m 심도까지

확인하였다. 전기비저항탐사 결과를 토대로 석회암의 개 략적인 경계설정 및 광산개발에 따른 영향가능성을 평 가하였으며, 탐사결과는 시추 등의 조사위치를 설정하는 데 활용하였다.

전기비저항탐사의 수평탐사 결과에서는 채굴구역의 채굴적 분포여부는 확인되지 않았다. 다만, 석회암과 사 암의 강도 및 풍화정도 차이에 기인하는 암종간의 비저 항분포특성이 뚜렷한 차이를 보이는 것으로 파악되었다.

일반적으로 사암의 경우 토층의 심도가 깊은 특성을 보 여 저비저항대를 형성하는 반면 석회암 분포지역은 상 대적으로 암반상태가 양호한 특성을 보이고 토층심도가 사암지역에 비해 작기 때문에 고비저항대를 형성하고 있 다. 수직탐사에서 특이할만한 이상대를 형성하고 있는 측점은 3개소로 S-1,4,5가 이에 해당한다. 이중 측점 S- 1 은 채굴적과 단독가옥 사이에 위치하는 측점이며, 측점 S-4,5 는 채굴적 직상부에서 탐사를 수행한 측점이다. 이 와 같은 비저항탐사 결과를 볼 때, 채굴적 상부지역과 채굴적과 단독가옥 사이 구간에서 지반 이상 징후가 확 인되었다.

미채굴구역의 경우 수평탐사 결과에서도 석회암 분포 지역은 사암분포지역에 비해 비교적 높은 비저항분포를 보이는 것으로 파악되었다. 저비저항 이상대는 저수지 Table 1. Damage condition of the subsidence area.

Division Damage condition No. Location map of damage area

Farmland

Partially sinkhole of rice paddy (1st subsid-

ence) 1

Partially sinkhole of rice paddy (3st subsid-

ence) 3

Reservoir Water leak after partially sinkhole of reservoir

(2st subsidence) 2

House Subsidence and crack of house neighboring res-

ervoir (2st subsidence) 4,5,8~12

Road Subsidence and crack of road neighboring res-

ervoir (2st subsidence) 6,7

Fig. 3. 1st, 2nd and 3rd ground subsidence photograph of the study area.

주변지역과 공동우물 분포지역 그리고 시추조사에서 확 인된 자연공동 분포지역 등에서 확인된다. 수직탐사에서 는 이상대가 분포하지 않는 일반적인 지층의 전형적인 비저항치 분포특성을 보인다.

시추조사

시추조사는 채굴공동 확인과 지반상태를 파악하여 지 층의 구성과 각 지층의 지반공학적 특성 및 기반암의 암질상태 등을 분석하기 위하여 실시되었으며, 지하수위

측정, 실내시험용 시료채취 및 각종 원위치 공내시험을 실시하여 지반안정성 평가의 제반자료로 활용하였다. 시 추조사는 계측공을 포함하여 총 20개소(계측공 9개소) 를 계획하고 선정된 시추위치는 광파측량을 실시하여 위 치 및 고도의 오차를 최소화하였다. 20개 시추공 중 18 개소는 수직시추를 수행하였으며, 2개소는 조사목적에 따라 경사시추를 수행하였다(Fig. 6).

Table 2 는 시추조사 결과를 요약한 것이다. 토층은 붕 적층, 풍화대(풍화토 및 풍화암)로 구분되며, 토층의 층 Fig. 4. Location map of the resistivity survey (18 lines (3.56 km), 11 station).

Fig. 5. Results of the electrical resistivity survey.

후는 붕적층이 0.0~15.6 m, 풍화대는 2.1~34.0 m(풍화토 2.1~27.0 m, 풍화암 10.0~34.0 m)로 지역적으로 편차가 심한 것으로 파악되었다. 연구지역 기반암의 특징은 석 회암의 경우에는 일반적으로 경암 위주의 양호한 암반 상태를 보이는 반면, 사질암의 경우에는 일부 양호한 구 간도 있으나 일반적으로 파쇄가 심하고 심한 풍화를 받 아 연암 위주의 불량한 암반상태를 보이는 것으로 파악 되었다. 기반암 내에 발달하는 절리 및 파쇄대가 발달하 는 구간이 다수 분포하며, 일부 점토, 산화철 등의 충전

물이 함유된 것도 관찰된다.

채굴적 확인을 위한 시추조사공인 BH-1호공 및 BH- 2 호공에서는 각각 14.8 m와 8.3 m의 채굴공동을 확인하 였으며, 전체 20개의 시추공중 석회암 분포지역에 속하 는 11개 시추공 모두에서 자연 용식공동이 분포하는 것 으로 확인하였다. 광산의 채굴공동 이외의 자연용식공동 은 석회암지대 전체에 고르게 분포하고 있고, 특히 금곡 2 소류지의 인근에서 분포빈도가 높게 나타났다. 광산 채 굴구역 내 자연용식공동은 총 13개가 확인되었고 규모 Fig. 6. Location map of boring investigation.

Table 2. Condition of cavites distribution in limestone area.

Division Borehole No. Natural cavities Mining cavities

Number Accumulation hight (m) (m)

Mining area

BH-1 2 3.6 14.8

BH-2 5 2.4 8.3

BH-4 13 4.3 8.4

Non-mining area

BH-6 12 9.1 -

BH-10 25 12.6 -

BH-11 12 6.9 -

BH-12 1 5.2 -

BH-13 12 8.8 -

BH-14 9 5.1 -

M-6 8 9.1 -

는 0.1~2.4 m로 다양한 규모로 나타난다.

미채굴구역에 분포하는 자연용식공동은 채굴구역의 공동들에 비해 분포빈도가 높으며, 공동의 규모가 커지 는 현상이 확인된다. 7개 시추공에서 확인된 자연공동 의 수는 79개소로 공동규모는 0.1 m에서부터 최대 5.2 m 까지의 대규모 공동이 확인되었다. 2 m 내외 크기 로 비교적 규모가 큰 자연용식공동은 연암층 내에 발달 한다.

시추공영상촬영

시추공영상촬영(BIPS)은 시추공을 이용하여 자연 상

태의 암반 내에 존재하는 불연속면의 방향성(경사방향, 경사각 등) 및 불연속면의 공학적인 특성을 파악하기 위 하여 채굴구역(BH-1, 2, 5) 및 미채굴구역(BH-13, 14) 에서 총 170 m의 탐사를 실시하였다(Fig. 7).

탐사결과 채굴적 공동은 대부분 원형을 유지하고 있 는 것으로 확인되었다. 자연 용식공동의 경우에는 대부 분 점토 등 세립질 토사로 충전되어 있는 것을 확인하 였으나 일부 충전되지 않은 상태의 자연공동도 확인되 었다. 불연속면 분포특성을 보면 광체의 방향성과 유사 한 NNE 방향의 불연속면이 발달하고 있는 것으로 파악 되었다.

Fig. 7. Results of BIPS.

Fig. 8. Contour of water level and ground water movement.

지하수분포 및 유동

지하수위 측정은 안정된 지하수위를 측정하기 위하여 시추작업 후 15일이 경과한 뒤 1차 측정을 실시하였고, 1 차 측정후 10일 뒤에 2차 측정을 실시하였다(Fig. 8).

연구지역의 지하수위는 토층인 붕적층, 퇴적층, 매립층 풍화대(풍화토) 등에 분포하며 지하수위는 GL.-0.5~

-19.6 m 내에 분포한다.

시추조사공에서 측정한 지하수위분포를 토대로 분석 하면, 개발 당시 지하수 유동은 광산개발의 영향을 받았 을 것으로 판단되나 현재 지하수위 분포를 분석한 결과 지하수 유동방향은 지형구배의 영향을 받는 것으로 파 악되었다. 즉 현재는 지하수위가 안정되어 단독가옥이나 마을지역에서의 지하수가 채굴적 내로 유입되지는 않는다.

지반상태 평가 채굴구역

지반조사 결과를 바탕으로 수직적 지층변화, 체굴적 및 침하 상황 등을 Fig. 9에 모식적으로 나타내었다. 채 굴적 상부의 지반은 토사층과 기반암층으로 구성되어 있 으며, 토사층은 두께가 11.7~17.0 m, 기반암(석회암)의 두께는 4.0~28.0 m로 확인되었다. 채굴적 상부지반은 비 교적 신선한 상태로 대부분 경암에 해당하나, 기반암을 구성하는 석회암의 풍화특성상 불규칙한 용식작용에 의 해 토사층과의 경계가 일정하지 않고 상당한 기복을 보 일 것으로 판단된다. 침하는 기반암의 심도가 4 m 내외 인 구간에서 발생하였다.

채굴적 상부에 분포하는 석회암은 대체로 경암에 해 당하는 양호한 암반상태를 보이나 이러한 양호한 지반 상태에도 불구하고 채굴공동으로 인해 지반거동이 발생 하였을 개연성을 보여주는 여러 가지 정황이 확인되었

다. 첫 번째로 시추공영상촬영(BIPS탐사) 결과 채굴적 상부에서 자연용식공동과 차이를 보이는 공동이 확인되 었다(Fig. 7). 미채굴구역에서 확인된 자연공동의 경우 모두 토사로 충전되어있으나, 채굴적 상부의 일부 공동 은 미충전된 상태이며 파단면이 매우 불규칙한 형태를 보인다. 또한 시추조사에서도 고각의 불규칙한 절리면이 채굴공동 주변에서 확인되었다(Fig. 10). 이러한 현상은 채굴공동의 형성으로 지반환경이 변화되고, 이 변화된 환경에 대응하여 응력이 재분배되는 과정에서 지반거동 이 발생하였고, 이 때 지반에 가해진 응력으로 인해 발 생한 것으로 판단된다. 즉 채굴공동의 상부에서는 채굴 공동 방향으로 지반거동이 발생하면서 채굴공동에 평행 한 방향으로, 채굴공동 주변에서는 채굴공동과 고각을 이루는 인장균열이 형성된 것이다.

이러한 지반이완 현상은 토사층에서도 확인된다. 일 반적으로 표준관입시험 결과는 토층심도가 깊어질수록 관입저항치가 높아지는 양상을 보인다. 그러나 채굴적 상부에서 수행한 표준관입시험 결과를 보면 관입저항치 가 부분적으로 낮아지는 경향이 뚜렷이 확인된다(Fig.

11). 물론 해당 지층이 붕적층이므로 관입저항치가 불규 칙하게 나타날 수는 있으나, 상대적으로 깊은 심도에서 나타나는 낮은 관입저항치는 기반암층의 하향거동에 따 Fig. 9. Distribution of soil layer and bedrock in mining area.

Fig. 10. Tension crack and cavity of bedrock (mining area).

른 토사층의 이완에 의한 현상일 수 있으므로, 이러한 현상은 공동이 존재하는 한 향후에도 지속될 가능성이 높다.

미채굴구역

지반조사 결과에 따른 미채굴구역 지층을 Fig. 12에 도식화하여 나타내었다. 시추조사 결과 미채굴구역의 토 층은 6.8~34.0 m의 두께를 가지며, 대부분 실트질 모래 로 구성되어 있다. 토층 교란여부를 평가하기 위하여 채 굴공동과 인접한 단독가옥 주변과 채굴공동에서 비교적 이격되어 있는 마을구역으로 구분하여 표준관입시험 결 과를 분석하였다(Fig. 13).

표준관입시험 결과를 종합하면, 대체로 심도가 증가 함에 따라 표준관입저항치가 증가하는 경향을 보이나,

누수가 발생했던 저수지 주변이나 구조물의 변상이 심 한 단독가옥 주변에서는 이러한 경향을 따르지 않는다.

심도가 증가하더라도 표준관입저항치에 변화가 없거나 부분적으로 오히려 감소하는 현상이 발생되는데 이는 토 층의 토립자 일부가 지하수 유동으로 인하여 석회암내 에 형성된 절리나 자연용식공동으로 유실되면서 느슨해 졌기 때문에 발생한 현상일 수 있다.

토층 하부에 분포하는 기반암의 경우 보통풍화 내지 심한풍화, 보통균열 내지 심한균열 상태를 보이는 것으 로 나타났으며, RMR 분석결과 II등급에서 V등급까지 다양한 등급 분포를 보인다. 일반적으로 석회암이 분포 하는 지역은 비교적 신선한 암반상태를 유지하는 반면, 사암의 경우는 풍화 및 균열정도가 심하고 이로 인하여 지반상태도 불량한 것으로 파악되었다.

미채굴구역에 분포하는 석회암층에서는 다수의 자연 공동이 확인되는데 공동 규모는 0.1~5.2 m까지 다양한 규모로 나타나며, 시추공영상촬영(BIPS탐사)결과 공동 내에는 모두 토사가 충전되어 있는 것으로 확인되었다 (Fig. 14). 이처럼 석회암 분포지역의 모든 시추공에서 공동이 확인되는 것으로 보아 연구지역에 분포하는 석 회암 내에는 다수의 자연공동이 매우 불규칙적으로 발 달해 있는 것으로 판단된다.

지반안정성 평가

연구지역 내에서 지반안정성을 평가하기 위하여 채굴 적 상부지역에 대하여 5개 단면을 작성하고 단면별 안 정성 분석을 수행하였다. 단면선의 길이는 하부 채굴적 분포 특성과 현재 주요 시설물 분포현황 등이 충분히 반영되도록 설정하였다(Fig. 15).

침하이론을 적용한 안정성 분석 결과는 Table 3과 같 다. 응력아치 체적팽창이론을 적용할 경우 모든 단면에 Fig. 11. Result of SPT in mining area.

Fig. 12. Distribution of soil layer and bedrock in non-mining area.

서 불안정한 것으로 평가되었고 한계평형이론을 적용한 결과 1개 단면(E-E')에서 안전율이 낮게 평가되어 채굴 구역은 전반적으로 불안정한 것으로 해석되었다.

지반의 역학적 특성인 응력-변형관계를 나타내는 구 성모델에는 탄성모델, 탄소성모델, 점탄성 및 점탄소성 모델 등이 있는데 본 해석에서는 토사 및 암반의 거동 특성을 비교적 잘 표현할 수 있는 탄소성 모델인 Mohr-Coulomb 모델(적용 프로그램 : VisualFEA)을 적 용하여 해석을 수행하였다. 해석단면은 지반침하이론에 서 불안정하게 평가된 단면 중 3개 단면(B-B', C-C', E-E') 에 대해서 평가를 수행하였다(Fig. 16). 안정성 해 석에 사용한 지반입력물성치는 석회암지대 유사사례, 문 헌자료, 시험결과와 N치 및 RMR 경험식을 이용하여 Table 3 과 같이 선정하였다. 안정성 평가결과 지표변위 범위는 65~276 mm, 채굴적 직상부 변위의 범위는 287~720 mm 로 허용침하량 기준을 초과하여 불안정한

것으로 평가되었으며 채굴적 근접지역의 지표변위는 2~8 mm 로 미소하게 나타났다. 그러나 수치해석결과는 지반의 불균질성, 이방성 등 지반 고유의 특성에 따라 차이가 발생할 수 있고, 갱내채광 후 시간경과와 지하수 에 의한 영향 등을 고려하는데 한계가 있으므로 수치해 석은 갱내채굴에 따른 지반거동 특성을 파악하는데 그 의미가 있다.

침하원인 및 향후 침하가능성 검토 침하원인 검토

채굴구역에서 발생한 1차 및 3차 지반침하는 채굴공 동의 상반을 지지하는 기반암층의 두께가 4 m 내외인 구간에서 집중호우 이후에 발생하였다. 이러한 현상을 근거로 판단해 볼 때, 집중호우로 인해 강우가 지하로 유입되어 토사층의 하중은 증대되고 기반암층의 절리면 Fig. 13. Result of SPT in non-mining area.

Fig. 14. Development condition of natural cavities in non-mining area.

전단강도는 저하된 상태에서, 기반암층의 두께가 얇은 채굴공동 상부의 천단이 상부 토피의 하중을 견디지 못

하고 붕락되면서 상부토사가 채굴공동으로 유입되어 지 표함몰이 발생한 것으로 판단된다.

Fig. 15. Cross sections for stability assessment.

Table 3. Physical and mechanical properties of soils and rocks used in numerical analysis.

Type Unit weight

(kN/m

)

Deformation modulus (MPa)

Cohesion (kPa)

Friction angle

(

) Poisson's ratio

Soil 18 20 10 27 0.35

Weathered soil 19 50 20 30 0.33

Weathered rock 20 200 30 32 0.30

Soft rock 25 2,000 150 35 0.27

Moderate rock 26 4,000 250 38 0.25

Hard rock 27 5,000 300 42 0.20

미채굴구역에 대한 침하발생 당시의 자료조사, 지반 상태 분석, 지하수위 변동 영향검토, 발파진동 영향검토, 가옥의 변상현황 등을 종합한 결과, 침하의 주 원인은 지하수 유동에 의한 지하수위 하강이며, 국부적(단독가 옥)으로 발파진동도 건물 변상에 영향을 준 것으로 파 악되었다. 광산개발 당시 갱내로 유입되는 지하수를 지 속적으로 배수를 실시함에 따라 채굴적을 중심으로 수 위하강이 발생되면서 지하수위가 저하되었다. 지하수위 가 저하됨에 따라 토사층에서는 즉시침하가 발생하였으 며, 이 외에도 지하수 유동에 따른 토사의 유실(채굴공 동, 자연공동 또는 열린 균열 등), 지하수위 하강에 따 른 유효응력 증대로 자연공동이나 열린 균열면이 닫히 면서(특히 토사층과 인접한 구간에서) 토사층이 이완되 어 침하가 더욱 가중된 것으로 판단된다.

지하수위 하강은 저수지 물이 급격하게 빠진 2차 지 반침하(저수지 함몰 및 누수)시 가장 큰 영향을 미쳤을 것으로 판단되며, 지하수위 하강에 따른 주변지역 침하 및 변상 역시 채굴적과 가까운 단독주택과 저수지 주변 에 보다 집중되었다. 그러나 인접마을에 발생한 침하 및 구조물 변상을 전적으로 광산개발이라는 인위적 요인에 의한 것으로 확정지을 수는 없다. 왜냐하면 연구지역의 석회암층 내에 분포하는 자연공동에 의해서도 침하가 발 생하는 사례가 많기 때문이다(Shin et al., 1996; Hong,

2004; Park, 2013). 또한 구조물의 변상은 광산개발과 무관하게 구조물의 재료, 골조형식, 노후화 정도 등 내 재적 특성에 의해서도 영향을 받으므로 마을에서 발생 한 침하 및 구조물 변상은 이러한 여러 가지 요인이 복 합적으로 작용한 결과일 수 있다.

향후 침하가능성 검토

침하는 주로 채굴공동이 형성되어있는 석회암층을 중 심으로 발생할 것이며, 이 때 주변의 암반이 견고하다면 침하는 채굴공동의 직상부에 국한하여 발생할 것으로 판 단된다. 연구지역 채굴공동 주변부는 사암 및 셰일이 분 포하고, 심한 풍화 내지 매우 심한 풍화상태를 보이며, 균열정도도 보통 내지 매우 심한 상태를 보이고 있다.

이와 같이 채굴공동 주변의 지반상태가 불량하므로 침 하가 발생할 경우 침하의 영향은 주변 지반으로 확산될 가능성이 매우 크다.

미채굴구역에서의 침하 및 구조물 변상의 주요인은 전술한 바와 같이 광산개발에 따른 지하수위 하강 및 발파의 영향이며, 현재 광산 개발이 중단됨에 따라 이로 인한 침하 지속 가능성은 낮다고 볼 수 있다. 그러나 석회암 분포지역에서는 석회암층 내에서 다수의 자연용 식공동이 확인되었고, 그 규모는 최소 0.1 m에서 최대 5.2 m 까지 다양하며, 분포양상은 매우 불규칙한 특성을 Table 4. The analysis results of ground settlement in limestone area.

Division Surface displacement

Displacement of goaf nearby

Displacement

of goaf upper Remark

B-B' 100 mm 8 mm 720 mm

Allowable settlement criteria House : 25~50 mm

Road : 100 mm

C-C' 65 mm 6 mm 287 mm

E-E' 276 mm 2 mm 602 mm

Assessment Instable Stable Instable

Fig. 16. Result of Visual FEA numerical analysis (E-E').

보인다. 이러한 자연용식공동의 함몰로 인해 침하가 발 생할 가능성은 근원적으로 잠재한다. 또한, 미채굴구역 의 침하가 주로 지하수위와 관련이 깊으므로 향후 양수 등으로 인한 인위적인 영향으로 지하수위 저하가 발생 할 경우 추가적인 침하가 우려된다.

결론 및 제언

본 연구에서는 지하수로 포화된 삼성석회석광산에서 발생한 지반침하에 대한 사례연구의 일환으로 대상지역 의 정밀조사를 통하여 지반침하 원인 및 지반안정성 평 가와 향후 침하 가능성을 검토였으며 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 삼성석회석광산 채굴적 상부 지반은 토사층 두께 가 11.7~17.0 m, 기반암(석회암)의 두께는 4.0~28.0 m로 확인되었고, 채굴적 연장은 갱구로부터 최대 162 m, 채 굴적 폭은 최대 70 m에 이르는 것으로 파악되었으며, 채굴적 높이는 최대 16 m에 이르는 것으로 나타났다.

(2) 연구지역내 지반침하는 3차례에 걸쳐 발생하였는 데 1차와 2차 함몰형 침하는 채굴적 상부 농경지에서 발생되었고, 2차 침하는 채굴적 인근 소류지의 수위가 급격히 하강하면서 소류지내에 발생하였다. 이로 인하여 소류지 주변 지역 가옥, 도로 등에 균열과 변상이 발생 하였다. 농경지에서 발생한 3차 지반침하는 1차 및 2차 지반침하와 달리 채굴적이 완전히 포화되어 있는 상태 에서 발생하였다. 구조물 균열 및 변상이 발생한 위치를 보면 대체로 석회석이 분포하면서 지하수 유동이 발생 한 방향에 분포하는 경향을 보이며 저수지 누수 사고 후 인근 도로와 단독가옥에 집중적으로 발생하였다.

(3) 지하 채굴적 상부지역을 대상으로 침하이론 및 전 산해석에 의한 지반안정성을 평가한 결과, 채굴구역은 전반적으로 불안정하게 평가되었으며, 채굴구역의 주요 침하원인은 집중호우로 인해 강우가 지하로 유입되어 토 사층의 하중이 증대되고 기반암층의 절리면 전단강도가 저하된 상태에서 기반암층의 두께가 얇은 채굴공동 상 반이 토피 하중을 견디지 못하고 붕락되면서 상부토사 가 채굴공동으로 유입되어 지표함몰이 발생된 것으로 판 단된다.

(4) 미채굴구역의 침하발생 주요 원인은 지하수위 하 강에 기인한 것으로 판단되며, 구조물의 변상은 채광에 따른 지하수위 저하에 의한 인위적 요인과 자연적으로 상호 연결성을 갖는 자연 용식공동에서의 유로변화나 수 위변화에 따른 침하, 자연 용식공동의 파괴에 따른 침

하, 그리고 가옥의 구조적 특성, 즉 구조물의 재료, 골 조형식, 노후화 정도 등 다양한 요인이 복합적으로 작용 한 결과인 것으로 판단된다.

(5) 향후 침하 가능성과 관련하여, 채굴공동 천단의 암반층 두께가 얇은 구간이나 인장절리 발달이 활발한 구간에서는 급격한 변형이 초래될 수 있고 채굴공동 주 변의 지반상태가 불량하므로 침하가 발생할 경우 침하 의 영향은 주변 지반으로 확산될 가능성이 있다. 또한 석회암 분포지역에서는 석회암층 내에서 다수의 자연 용 식공동이 확인됨에 따라 자연 용식공동의 함몰로 인해 침하가 발생할 가능성이 있고, 미채굴구역의 침하가 주 로 지하수위와 관련이 깊으므로 향후 양수 등의 인위적 인 영향으로 인한 지하수위 저하나 강우침투에 의한 공 동에서의 유로변화 및 수위변화가 발생할 경우 추가적 인 침하가 발생될 수 있으므로 이에 대한 보강 및 관리 대책이 필요하다.

감사의 글

본 연구는 한국광해관리공단의 주요 연구사업인 ‘지 하수 포화 석회석 채굴공동 충전효율화방안 연구’ 과제 의 일환으로 수행 되었으며 이에 감사드립니다.

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Hong, G. P., 2004, Case studies on ground improvement by triple rod high pressure jet-grouting in the limestone cavities area, MSc Thesis, Chung-Ang University, 113p (in Korean with English abstract).

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최우석

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