49

찰하기 어려우므로 구조물의 균열, 변위 등을 조사하여 채굴적의 영향 여부 평가 및 구조물의

지반 안정성 분석

나. 구조물의 균열현상과 채굴적과의 상관관계 분석을 위한 조사 대상

- 구조물의 건축시기, 제원, 보수이력

- 구조물 표면의 균열, 변위, 단차와 같은 이상징후 및 진행 방향성과 연장성

- 채굴적 유무지역의 구조물 상태 상호비교

(3) 지표지질조사

가. 지질조사, 지하 광체의 발달 상태와 채굴 여부 추정, 암반의 공학적 성질, 암반 내 불연속면의

특성 등

- 지질도, Geological compass, Geological hammer, Profile gauge, Schmidt hammer 등 이용

(그림 3-22)

나. 육안 지표조사

- 지형특성, 구조물 현황, 지반상태, 갱구 존재 유무, 침하 흔적, 구조물 피해 발생여부 등

다. 광산배수 유출

- 페쇄된 갱구부 확인. 채굴적 규모 추정. 폐수 이동 경로 추정 가능

라. 지표지질조사 항목

암석 구조선 불연속면

- 암석의 종류

- 암맥의 종류 및 관입 방향

- 탄층 및 광맥의 발달 특성

- 풍화정도

- 암석 구조, 색, 입자크기 등

- 단층

- 전단대의 방향

- 파쇄대

- 방향, 간격

- 연속성, 틈새

- 불연속면 거칠기

- 충전물질, 불연속면 강도

- 누수, 절리군 수

- 암괘의 크기

그림 3-22 지표지질조사(노두발달 상태, 불연속면의 방향 등)

50

마. 불연속면의 발달상태 및 방향 조사

- 방향: 주향(Strike), 경사(Dip), 경사방향(Dip direction)

- 해석: 평사투영(그림 3-23)

그림 3-23 불연속면의 평사투영 해석 결과

(4) 채굴적 조사 및 분석

가. 채굴적 조사

ㄱ. 광산 갱내도를 합성하여 작성한 복합도면(갱내도+지형도+지질도, 그림 3-24)

ㄴ. 갱내도를 합성하여 작성한 채굴적도: 채굴적 분포범위, 심도, 규모 등의 채굴적 관련 정보를 제

공하며, 지반 안정성 조사의 필수적인 기초자료로 활용

ㄷ. 광산보안법상 광물 채굴 제한범위: 공중이용 시설물로부터 수평거리 50m 미만의 지하 150m

이내에서는 광물 채굴 금지, 50~100m 미만의 지하 150m 이내에서는 광물 채굴 제한

51

그림 3-24 복합도면(갱내도+지형도+지질도) 작성 예

나. 채굴적 분석

ㄱ. 복합도면에 근거한 채굴 단면도를 작성하여 채굴적과 지상구조물의 상관관계 분석

ㄴ. 채굴적 붕괴에 의한 지표침하 발생 지역에 대한 광역조사와 채굴적 상부 토지이용도가 높은

지역에 대한 상세조사 실시

ㄷ. 500~1000m 간격의 광역단면도와 100~200m 간격의 상세단면도를 작성하여 채굴적 분석에

활용

(5) 물리탐사

가. 개요

ㄱ. 물리탐사(Geophysical prospecting): 지표 또는 시추공에서 암석 및 광물의 물리적 특성을 측

정하여 지하구조, 지하 부존 유용광물 및 석유와 천연가스, 지열 및 지하수 등을 탐사하는 방법

ㄴ. 탐사목적에 따른 분류: 중력탐사, 자력탐사, 전기탐사, 전자탐사, 탄성파탐사, 방사능탐사, 지열

탐사, 물리검층 등

ㄷ. 광산지역 물리탐사

- 시추조사 전에 조사구역 일대에 대한 전반적인 자료(이상대, 지층, 지하수대 등)를 획득하여 특

이사항이 발견되는 구간에 대해 시추조사를 실시하여 시추효과 증대 목적

- 시추조사 시 시추공을 활용하여 지하 지층상태 파악, 시추공 사이의 지반상태(채굴적의 형태, 채

굴적 상부 지반상태, 파쇄대 유무) 파악하여 암반의 구조를 파악하기위해 실시

- 지하 채굴적으로 인한 침하 우려지역의 지반안정성 평가를 위한 기본 자료 제공

- 시추조사 결과 및 실내암석시험 결과와 상관관계를 분석하여 수치해석 시 해석단면의 결정, 지

층구분, 강도정수 등 입력자료로 활용

- 폐광지역 지하 채굴적으로 인한 침하우려 지역의 지반안정성 평가를 위한 탐사법: 전기비저항법,

탄성파반사법, 탄성파토모그래피, GPR, 텔레뷰어, BIPS 등

- 지하구조에 대한 사전정보 파악이 용이하나 탐사결과에 대한 신뢰도 확보 중요

52

- 현장조사 및 물성시험 결과와 물리탐사 결과를 연계하여 종합적 분석과 시추조사나 굴착 등으로

탐사결과의 신뢰도 높이는 것이 필요

나. 물리탐사의 종류 및 활용

ㄱ. 전기비저항 탐사

- 전류전극과 전위전극을 이용하여 지하 매질의 전기비저항 분포를 알아내는 방법으로 전류전극을

통해 대지에 공급된 전류와 지하 매질의 전기적 물성 차이로 인해 형성된 전위분포를 측정하여

전기비저항치의 변화 양상을 탐지하고 이를 해석하여 지하 하부의 파쇄대, 단층, 층서구조 등

지질구조, 지하수 등의 부존 양상을 탐사하는 방법(그림 3-25)

- 광산지역 전기비저항 탐사법: 채굴적 존재여부 확인, 시추조사에서 확인 못한 채굴적, 석회동굴,

채굴적 상부 침하 가능성 있는 연약지반 및 파쇄대 등 탐지, 지층의 경계면 파악으로 지반보강

을 위한 기초자료로 활용

그림 3-25 전기비저항 탐사법 모식도

- 전극배열에 따른 분류(그림 3-26): 수평법(웨너법), 수직법(슐럼버저법), 수평-수직법, 쌍극자법

(Dipole-Dipole), Pole-Dipole법, Pole-Pole법

그림 3-26 전기비저항 탐사 전극 배열법

53

- 각종 전기비저항 탐사 전극 배열법의 분해능(그림 3-27)

탐사 모식도 Pole-Pole법

Pole-Dipole법 Dipole-Dipole법

Schlumberger법 Wenner법

그림 3-27 각종 전기비저항 탐사 전극 배열법의 분해능 예

ㄴ. 탄성파 토모그래피 탐사

- X-ray CT촬영 원리를 응용한 방법으로서 두 개의 시추공을 이용하여 탄성파 발생원과 수진점

사이의 탄성파 속도를 구하여 시추공 사이 단면 내의 이상대(채굴적, 암층, 단층, 파쇄대 등)을

규명하는 방법(그림 3-28)

그림 3-28 탄성파 토모그래피 측정 방법 및 분석과 해석 예

54

- 폐광산지역의 채굴적 및 단층과 파쇄대의 위치와 규모 파악, 토목 지반조사, 폐탄광 지반보강공

사 효과 검증 등에 활용

- 전산처리 및 해석: 측정 데이터 분석(초동주시 변화, 반사파 분석 등으로부터 암층 구분, 매질

특성 및 파쇄대 위치 파악) -> 초동주시 발췌(P파의 초동주시 발췌) -> 탄성파 토모그래피 역

산(발생원과 수진기의 위치, 초동주시를 입력하여 탄성파토모그래피 역산 수행하여 탄성파속도

분포 획득) -> 해석(시추공 사이 단면에 대한 해석단면도 작성하여 채굴적, 단층, 파쇄대의 위

치 및 규모 파악)

ㄷ. 탄성파 탐사

- 탄성파 반사법: 지표면에서 발생시킨 탄성파가 지하매질을 전파하는 과정 중 지층의 음향임피던

스(acoustic impedance, ) 차이에 의해 지층경계면에서 반사되는 파를 수진기로 기록하

고 보정 및 자료처리를 하여 지질정보에 대한 정보를 얻는 방법(그림 3-29). 표층과 기반암의

경계면, 일정심도의 지질구조 파악, 지하수면 조사, 폐광산 지역의 채굴적, 단층 및 파쇄대의 위

치와 규모 규명에 활용

그림 3-29 탄성파 반사법 탐사의 진행경로 모식도

- 탄성파 굴절법: 지표면에서 발생시킨 탄성파가 지하매질을 전파하는 과정 중 지층의 음향임피던

스(acoustic impedance, ) 차이에 의해 지층경계면에서 굴절되는 파를 수진기로 기록하

고 보정 및 자료처리를 하여 지질정보에 대한 정보를 얻는 방법(그림 3-30). 탄성파의 도달 시

간으로부터 지층의 탄성파 속도 분포 파악, 지하매질의 광역적인 층서구조에 대한 개략 탐사,

산악지역에서 토사층의 두께 산출, 토사층의 이완상태 파악, 단층, 파쇄대 등의 연약지반 탐지,

석회암 지대나 지반침하 지역에서의 공동 탐지 등에 활용. 천부심도의 기반암 경계 확인이 용

이하며 탄성파 반사법에 비해 해석이 간단하고 경비가 적게 드는 장점이 있는 반면, 심부 탐사

가 어렵고 하부층에 저속도층이나 박층이 있으면 인지하기가 어려운 단점이 있음

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그림 3-30 탄성파 굴절법 탐사 원리 및 주시곡선 모식도

ㄹ. GPR(Ground Penetrating Radar) 탐사

- 송신 안테나로부터 발사된 후, 지하의 불균질대에서 반사되거나 혹은 투과되어 수신

안테나에 감지된 전자기파의 도달 주시를 이용하여 지반 구조, 지하 매설물 등을 영상

화하는 탐사법

- 지표에서 안테나를 설치하고 탐사하는 지표 레이다(GPR) 탐사법과 시추공에 안테나를

삽입하여 측정하는 시추공 레이다 탐사법으로 나눔(한국암반공학회 외, 1999; 한국지

구물리탐사학회, 2002)

- 송수신 안테나를 지표에 위치시키고 지하에서 반사된 전자기파를 이용하여 지하를 영

상화하는 방법으로, 각종 레이다 탐사법 중 가장 많이 사용

- 측정법에는 송수신 안테나의 간격을 고정시키고 안테나를 측선 상에서 이동하면서 측

정하는 측선 탐사법, 공통송신점 탐사법, 다중 채널 탐사법 등이 있음으며, 일반적으로

측선 탐사법이 가장 많이 이용(그림 3-31)

- 시추공 레이다 탐사법에는 레이다 반사파를 이용하여 지하를 영상화하는 반사법 시추

공 레이다 탐사법과 지하의 불균질대를 투과한 전자기파를 이용하는 시추공 레이다

토모그래피법 등이 있음(그림 3-32)

- 기록된 전자기파 시계열 신호는 적정한 신호처리를 거친 후, 전자기파 단면도 혹은 영

상을 작성하여 지하 매설물의 위치 혹은 지하구조 등을 추정

- 레이다 탐사법은 수십 MHz~수 GHz 에 걸친 고주파수 전자기파를 사용(한국암반공학

회 외, 1999; 한국지구물리탐사학회, 2002)

- 레이다 탐사에서 중요한 물리적인 성질은 지하의 전기비저항과 유전율의 차이며, 금속

매설물이나 매설 전선과 같이 지반과의 전기비저항 차이가 매우 큰 지하 경계면을 제

외하면 전자기파의 반사는 유전율이 다른 경계면에서 주로 발생.

- GPR 탐사의 현장 적용 예(그림 3-33)

56

그림 3-31 GPR 탐사의 각종 측정법(한국지구물리탐사학회, 2002)

그림 3-32 시추공 레이다 탐사의 각종 측정법(한국지구물리탐사학회, 2002)

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그림 3-33 GPR 탐사의 현장 적용 예

ㅁ. 텔레뷰어(Televiewer) 탐사

- 시추공을 활용하여 약 1MHz의 초음파 빔을 시추공 내벽에 주사하여 반사파의 진폭

및 주시를 분석하여 절리 및 단층의 크기, 방향, 경사, 암질의 변화 및 암석의 역학상

태 등을 규명하는 물리검층법(그림 3-34)

- 텔레뷰어 이미지로부터 절리군의 경사방향 및 경사각, 절리 틈의 크기, 절리 거칠기 등

의 정보를 이용하여 암석강도 산출과 수평 주응력방향 추정 가능(그림 3-35)

- 3차원 절리구조 파악 및 각 절리군별 절리 틈과 밀도분포 산출 가능하여 이를 이용한

3차원 영상화 표현

- 폐광산 지역의 채굴적과 그 상부 파쇄대와의 연관성 규명으로 지반침하 우려지역 해석

의 주요 자료로 활용

그림 3-34 텔레뷰어 탐사법의 기본 원리

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그림 3-35 텔레뷰어 탐사에 의한 절리 상태 파악

ㅂ. BIPS(Borehole Image Processing System) 탐사

- 시추공 내부와 공벽 상태 확인을 위한 시추공 영상촬영을 이용해 시추공벽을 심도에

따라 360°로 촬영한 후 이를 처리하여 원지반 상태의 이미지를 얻는 방법(그림 3-36)

- 지하 지질상태의 데이터베이스화, 지질구조의 정확한 분석, 채굴적 지반이완상태 파악

- 장점: 지하수 영향 없음, 암종, 균열 내 충진물질 및 지질구조 파악, 균열의 형상과 형

태 파악, 시추공 이미지의 데이터베이스화, 보강구간 내 그라우트 충진상태 확인 가능

- 단점: 공내수 상태에 따라 해상도 좌우, 촬영속도 느림, 암반강도 정수 및 공경변화에

대한 자료 얻기 힘듬, 이미지 영상 파일이 큼

그림 3-36 BIPS 탐사의 측정 원리

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(6) 시추조사

가. 조사목적

- 지하상황을 조사하는 가장 보편화된 방법으로 암반의 지층 구성상태 및 지반공학적 특

성을 파악하여 가장 합리적인 안정대책 강구, 필요한 기초자료 제공

- 채굴적 존재여부, 지하지질 발달상태 파악, 지반공학적 자료 제공

나. 조사내용

- 지질상태, 지반상태, 공내수위를 통한 지하수 상황

- 시추 코아를 이용한 암석 물성시험 수행, 시추공을 이용한 지하수위 측정, 공내재하시

험, 수압시험 수행

- 암질지수(RQD), 코아회수율(TCR), 시추주상도 작성(그림 3-37)

시추길이

이상의코아길이×

시추길이회수된코아길이

×

그림 3-37 RQD 측정 및 계산 예

다. 시추공에서의 조사

ㄱ. 시추 코아를 이용한 조사: 시험방법은 ASTM(American Society for Testing

Materials), ISRM(International Society for Rock Mechanics) 시험법에 근거함

60

- 비중 및 흡수율: 겉보기비중 공극을포함하는단위외형체계시험편의완전건조중량

흡수율 건조된시험편의중량침수된시험편의 중량건조된시험편의중량

×

- 일축압축강도: 일축압축강도시험편단면적최대하중

Protodyakonov식:

: 시험편 길이(L)에 대한 직경(D)의 비가 2:1인 경우, =시험편 길이(L)에 대한 직

경(D)의 비가 2:1이 아닌 그 외의 경우

- 인장강도:

, : 파괴시 하중

- 탄성계수 및 포아송비: 정탄성계수종변형률 응력

정포아송비종변형률 횡변형률

ㄴ. 표준관입시험(Standard Penetration Test, SPT): 한국공업규격 KSF-2318에 근거

- 상부토사구간의 연경도, 다짐정도를 측정하여 지반의 지지력, 지층의 분포상태 및 지질

상태 파악

- 중량 63.5kg 햄머를 75cm 높이에서 낙하하여 30cm 관입 시킬 때의 타격수 N치(타격

회수/30cm) 측정. 최초 15cm 관입 N치는 예비타이고 그 이후 30cm 관입 이전에 50

회 이상 타격회수가 소요될 경우 50회만 실실하고 그 때의 관입깊이 기록(그림 3-38)

그림 3-38 표준관입시험 개념도

61

ㄷ. 수압시험

- 기반암의 투수성 파악을 위해 시추공에서 시험 실시하여 투수계수 산출(그림 3-39)

- 투수시험 결과로부터 각 시험 구간에 대한 Lugeon값 계산

- 1Lugeon: 주입압력 10kg/㎠하에서 1m당의 분당 주입수량을 나타내는 단위

- 투수계수 산출식: ×log

K: 투수계수(cm/sec), Q: 주입량(㎤/sec), L: 시험구간(cm), r: 반경(cm), H: 총수두

(cm)=압력수두+위치수두

- Lugeon값 산출식:

Lu: Lugeon값, P: 주입압력(kg/㎠), Q: 주입수량(liter/min), L: 시험구간(m)

그림 3-39 수압시험 모식도

ㄹ. 공내재하시험

- 시추공 벽면을 가압하여 공벽면의 변형량을 측정하여 지반의 강도 및 변형특성 등 지

반성질을 조사하는 시험(그림 3-40)

- 지반의 변형계수, 암반분류의 지표, 지반의 탄성계수 및 항복값, 공동 주변의 이완영역

추정 등의 목적으로 사용

ㅁ. 시추조사 결과 활용

- 시추 코아 관찰로 채굴여부 및 채굴적 상부 지층상태 육안 확인

- 시추 코아 물성시험, 시추공 내 물리탐사에 의한 데이터 활용으로 지반안정성 평가(그

림 3-41)

- 시추공 간의 지층과 광맥이나 탄층과의 관계로 복합도면의 신뢰도 및 정확도 확보

62

등분포 재하법 등변위 재하법

그림 3-40 공내재하시험 모식도

그림 3-41 시추단면

3.5 지반안정성 평가

(1) 개요

가. 지반안정성 평가

ㄱ. 현장조사: 직접적인 침하현상 관찰 및 분석

ㄴ. 지반침하 이론 및 수치해석 방법 이용

나. 지반안정성 평가를 위한 조사 및 분석 사항

ㄱ. 현장조사(지표지질조사, 침하흔적조사), 복합도면 작성 및 단면도 분석, 시추조사, 전산결과 해