(주)비젼테크

노천광산 운영에서는 변위 모니터링이 안전과 작업 지속성 확보에 필수적입니다. 예기치 않은 변위가 감지될 경우, 지반공학적 모델을 활용하여 채광 작업의 변경 필요성을 평가합니다. 이 사례 연구는 Slide3가 Rio Tinto Kennecott(RTK)의 Bingham Canyon Mine에서 벽체 움직임의 역해석과 예측 해석에 어떻게 사용되어, 지속적인 안전과 효율적 운영을 보장했는지 보여줍니다. 이는 RTK에서 사내에서 최초로 수행한 대형 3D 극한평형(LE) 모델링 프로젝트로, Jeffrey Telfer와 Forrest Schumacher가 저술하였습니다.

지질 환경

Bingham Canyon Mine은 유타주 솔트레이크시티 남서쪽 Oquirrh Mountains에 위치한 포피리형 구리-몰리브덴-금 광상입니다. 문제의 변형 구간인 Upper Ohio 불안정 구간은 높은 채굴 속도와 빠른 벤치 교체가 이루어지는 컷백 내에 위치합니다. 이 다중 벤치 불안정 구간은 Pepperpike 층상 단층을 따라가며, 영구적인 직교 조인트 세트 방향으로 측면 이탈이 발생합니다. 층리는 벽면 방향에 대해 50도 이상 사교로, 30도 후반~40도 초반의 경사로 나타납니다.

[그림 1] Upper Ohio 불안정 구간 – 2019

[그림 2] Upper Ohio 지역 지질 모델 3D 뷰

과제

여러 지상 및 지하 변위 모니터링 방법을 통해 사면 이동이 감지되었습니다. 이동 수준, 주요 인프라와의 상대적 위치, 채광 활동에 따른 민감도 등으로 인해, 지반공학적 물성값을 재검토하고 사면 안정성 모델을 상세히 구축할 필요가 있었습니다.

모델링

RTK는 Upper Ohio 불안정 구간의 파괴 메커니즘을 완전히 이해하기 위해 암반, 구조지질, 수리지질 조건을 자체적으로 검토했습니다(자세한 기술 자료는 Engineering Geology 항목 참조). 구조 평가 결과 쐐기형 운동학적 파괴 메커니즘이 확인되어, 해석 방법으로 3D 극한평형 해석(LE)이 선정되었습니다.

역해석

Slide3를 활용해 불안정 구간을 모델링하였으며, 목표 안전율(FS)은 1.0~1.1로 설정하였습니다. 초기 암반 물성값은 설계 타당성 조사 결과를 기준으로 했습니다.

[표 1] GHB 암반 강도 파라미터

Pepperpike 단층면의 초기 물성값은 변위가 감지된 이후 상세 분석을 통해 결정되었습니다.

[표 2] Pepperpike 단층면의 Mohr-Coulomb 강도

지하수 관찰을 바탕으로 초기에는 건조 조건을 가정했습니다.

초기 물성값 가정 시, FS가 1.3 이상으로 실제 파괴면을 제대로 나타내지 못했습니다. 물성값을 낮추자 더 적합한 FS가 도출되었습니다.

[그림 3]최초 역해석(건조 사면, 기본 암반 및 불연속면 강도) 결과, FS 1.30은 역해석에는 너무 높았습니다.

이전에 언급된 직교 조인트 세트를 고려한 추가 해석을 수행하여, Pepperpike가 우측 이탈면, 직교 조인트 세트가 좌측 이탈면 역할을 하는 실제 파괴 메커니즘을 더 정확하게 포착할 수 있었습니다. 보다 현실적인 FS를 위해 다음과 같이 물성값을 조정했습니다.

• 암반 강도 저감을 위해 D factor 증가
  
• 결함 강도 저감을 위해 비점착성 단층에서 점착력 제거
  

또한, 모델링 시점에 채취한 발파공 자료를 통해 사면 내 수분이 확인되어 수분 민감도 해석도 실시했습니다. 최종적으로 현장 계측값을 토대로 모델에 수위선을 적용한 결과, FS는 1.09로 나타났습니다.

[그림 4] Pepperpike 역해석(현장 수위 적용)

예측 해석

현장 수위선을 반영한 모델로 다양한 예측 해석을 진행했습니다. 위험 저감을 위한 언로드(unload), 버트리스(buttress), 감압(depressurization) 방안을 검토했습니다.

감압 작업은 이미 진행 중이었으며, 사면은 이에 잘 반응했습니다. 추가적인 보강 조치는 시행하지 않았습니다.

[그림 5] 사면 상부 언로드 예측 해석

[그림 6] 사면 하부에 버트리스를 추가해 지지력을 높이는 보강 시나리오

사내 모델링에 대하여

RTK팀은 사내 광산 지반공학 엔지니어가 직접 사면 안정성 모델링을 수행하는 것이 큰 가치와 효율성을 제공한다고 판단했습니다. 사내 팀은 물성값에 익숙할 뿐 아니라(또는 신속히 익힐 수 있음), 기타 불확실성 요인도 파악하고, 외부 컨설팅팀보다 내부 협업이 수월합니다.

Rocscience 모델링 리소스

현실적인 지반공학 모델링 결과를 얻으려면, 관련 소프트웨어의 정확한 사용법을 숙지해야 합니다. Rocscience는 각 프로그램별로 폭넓은 튜토리얼, 표준화 및 맞춤형 교육 과정을 제공합니다. 특정 프로젝트에 대한 자세한 지원이 필요한 경우, Rocscience Expert Modeling 서비스를 이용할 수 있습니다. 맞춤형 교육 또는 Expert Modeling은 팀이 주요 모델링 유형을 빠르게 습득하는 데 훌륭한 방법이 될 수 있습니다.

원문 보기 - state of the art 3d limit equilibrium analysis slide3 application at bingham canyon mine