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제3장 지반침하에 의한 광해

3.1 개요

(1) 폐광지역 지반침하

가. 잔류성 침하

나. 발생위치, 시기를 정확하게 예측하기 어려움

다. 철도, 도로, 주거지 등 주요구조물의 대형 안전사고 발생 요인

(2) 지반침하 연구

가. 침하이론에 근거한 이론적 연구

나. 수치해석적 연구

다. 침하 측정(예 지표 및 지중 침하계, 미소진동 계측기, GIS 등)에 의한 지상구조물의 영향 및

침하한계 규정 연구

(3) 국내 지반침하 과제

가. 광산지역 전반 채굴적에 대한 국내 지반조건에 맞는 지반침하이론 정립

나. 객관적인 지반안정성 평가기법 및 위험도 예측에 대한 연구

3.2 침하원인 및 침하유형

(1) 침하원인

가. 천반의 파괴 및 붕괴

- 광물이 채굴된 채굴공동 주위의 응력상태가 공동의 천정, 바닥, 광주나 파쇄대의 강도를 초과함

으로써 발생

- 상부에서 작용하는 응력이 천반 또는 광주의 지반강도보다 크지 않을 경우 파괴가 일어나지 않

으나 굴착 후 시간의 경과에 따라 지반강도 감소, 지반의 포행(creep) 변형, 침투수압에 의한

전이(migration), 지하수에 의한 지반강도 감소 등의 요인에 의해 파괴 발생

나. 지하공동(그림 3-1)

ㄱ. 천연동굴

- 석회암동굴: 지하수나 강우에 의한 용식작용으로 형성

- 용암동굴: 화산작용으로 형성

ㄴ. 인공동굴: 채광에 의한 공동, 터널 및 상하수도 등의 공익시설 공동

ㄷ. 공동의 규모와 형태, 채굴공동 상반을 형성하는 암석의 종류가 침하작용에 영향을 미침

다. 광주의 파괴(그림 3-2)

ㄱ. 시간 경과에 따른 광주의 강도저하나 지표구조물의 하중이 광주에 부과되어 광주 파괴 발생

ㄴ. 단일 광주 파괴 후 주위 광주로 집중하중이 작용하여 연속파괴 발생

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ㄷ. 폭은 좁고 높이가 높은 광주에 응력집중이나 풍화작용이 작용해 장기간에 걸친 쪼개짐으로 붕

괴 발생

ㄹ. 상대습도의 변화, 지하수의 유입, 건조작용 등의 풍화작용에 의해 발생

그림 3-1. 지하공동의 예

그림 3-2 광주의 파괴에 의한 트러프(trough)형 침하 모식도

라. 광주의 펀칭현상(그림 3-3)

ㄱ. 펀칭(punching)현상: 채굴적 바닥의 지지력 상실로 채굴적 바닥이 광주 하부에서 채굴적 내부

로 밀려 올라오는 현상

ㄴ. 채굴적 바닥의 암석이 연약한 점토암이나 이암 등으로 구성되고 광주의 큰 응력이 채굴적 바

닥에 작용할 때 발생

ㄷ. 지하수 유입에 의한 암반강도 저하로 발생

마. 천반의 파괴(그림 3-4)

ㄱ. 채굴적의 천반이나 상반이 파괴되면 자체 지지력의 아치효과가 나타날 때까지 지표면을 향해

점진적 파괴 진행

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ㄴ. 파쇄된 암석들의 채적 팽창으로 채굴적이 채워져 상부 암반을 지지할 때까지 파괴 진행

ㄷ. 채굴적 상반이 층상암반일 경우 휨 변형과 전단 변형에 의한 파괴 발생

그림 3-3 광주의 펀칭현상에 의한 트러프형 침하 모식도

그림 3-4. 천반 파괴의 전이에 의한 지반침하(위) 및 췸(아래 좌)과 전단파괴(아래 우) 모식도

바. 지질구조

ㄱ. 전단강도가 작은 급경사의 지질 구조면을 따라 암석 자중에 의한 파괴 발생

ㄴ. 채굴적 주변의 수직변위는 지표면에서 비슷한 크기의 수직변위를 보임

사. 지하수 유입

ㄱ. 파쇄대를 따라 유입되는 지하수가 지반 강도 저하를 일으켜 붕괴 발생

ㄴ. 석회암이나 증발잔류암의 경우 용식에 의한 지하공동 형성으로 함물침하 발생

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(2) 침하유형

- 천연자원(광물, 석유, 가스) 채굴과 관련된 지반침하는 국부적, 지역적 발생

- 침하형태: 채굴방법, 채굴심도, 상반의 상대적 강도 등의 채굴공동 주위의 지질조건과 관련

- 지반침하의 분류(석탄산업합리화사업단, 2002)

분류방식 침하 유형 침하 성격 비고

발생시기에

따른 분류

활동성 침하

(active subsidence)

- 채굴작업과 거의 동시에

침하현상이 발생

- 채수율이 높은 채굴

법으로 비교적 얕은

심도에서 채굴시 발생

잔류성 침하

(residual subsidence)

- 채굴작업 종료 후 일정

시간 경과 침하현상 발생

- 부분적인 채굴에서 몇

십년 후에 발생하기도 함

- 잔류성 침하

침하형태에

따른 분류

연속형 침하(트러프형)

(continuous subsidence)

- 대체로 넓은 지역에 걸

쳐 완만한 경사로 지표가

전반적으로 기울거나 타원

형으로 침하 발생

- 침하과정의 초기나

오랜 시간에 걸쳐 조

금씩 침하 발생

불연속형 침하(함몰형)

(discontinuous subsidence)

- 국부적으로 급경사를 이

루며 지표가 함몰하는 형

태로 침하 발생

- 인명이나 지표구조

물에 심각한 손상 초

래

- 발생시기에 대한 예

측이 어려움

- 트러프형 침하와 함몰형 침하의 비교(Bruhn et al., 1978)

구분 트러프형 침하 함몰형 침하

경사 대체로 완만 급경사

범위(규모) 대체로 넓은 구역(최소 10m 이상) 대체로 작은 규모(3m 이내)

침하량 최대 침하량 1m 정도 수m ~ 수십m

발생속도 서서히 발생 갑자기 발생

형태 타원형, tilting, 접시형태 원통형, 원추형

발생시기

- 얕은 심도, 완전 채굴 -> 채굴 초

기 발생

- 깊은 심도, 불규칙 채굴 -> 장기간

에 걸쳐 발생

- 예측 곤란

- 대체로 채굴 후 10년 이내 ~ 100

년 경과 후에도 발생

발생원인 광주파괴와 광주펀칭 등에 의함

- 채굴적 천정부의 파괴

- 채굴폭, 채굴심도, bulking과 전이

작용에 의해 발생

채굴심도 다양한 심도에서 발생 대체로 50m 미만에서 발생

피해(위험성) 지상구조물에 피해 인명 및 구조물에 심각한 타격

- 국내 탄광의 침하: 대부분 급경사의 불규칙한 광체의 채광법인 위경사승 붕락법과 중단채굴법이

사용되므로 지표 침하범위는 국부적이나 침하가 발생하면 침하량이 크고 불연속적인 함몰형 침

하형태를 보임

- 국내 폐광지역 침하: 발생 위치와 시기를 예측하기 어려운 잔류성 침하로 분류

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가. 트러프형 침하(그림 3-5)

ㄱ. 상반을 지지하던 광주의 파괴 혹은 펀칭(punching) 현상에 기인

ㄴ. 넓은 지역에 걸쳐 발생하지만 침하량이 적고 서서히 발생하기 때문에 지상구조물에는 피해를

주나 인명피해를 주는 경우는 거의 없음

ㄷ. 침하유형: 광주의 파괴, 광주의 펀칭현상, 천반의 파괴에 의한 침하

ㄹ. 지하 채굴심도, 채굴규모, 지질구조적 특성을 감안하여 지표에 대한 영향권을 설정하여 부등침

하에 대한 대책을 마련 필요

그림 3-5 트러프형 침하발생 모식도

나. 함몰형 침하(그림 3-6)

ㄱ. 급경사를 이루는 원통형 혹은 원추형의 형태로 침하량이 수 m에서 수십 m에 달하기도 하며

채굴공동 직상부 천반의 붕락에 의한 암편의 부피증가 및 지하수 유입에 의한 강도저하에 의해

상부로 이동되어 지표상에 갑가지 나타남

ㄴ. 발생지역에 따라 많은 인명피해를 유발할 소지가 있어 침하의 발생장소에 대한 예측을 위해서

는 지반침하 우려지역에서의 채굴 규모, 토피를 구성하는 암석의 특성, 채굴심도, 채굴의 폭과

높이, 채굴방법 및 탄층경사, 지질구조, 지하수의 영향 등을 종합적으로 고려해야 함

그림 3-6 함몰형 침하발생 모식도(Karfakis, 1993)

ㄷ. 종류

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- Crown hole형 침하: 채굴적 심도가 50m 이내의 얕은 심도에서 광산의 천반붕괴로 발생하는 함

몰형 침하의 특별한 형태(그림 3-7)

- Chimney caving형 침하: Piping 또는 Funnelling이라고도 하며 절리가 발단된 상반이나 연약한

하반이 점진적으로 이완되면서 형성된 공동이 지표면까지 전이되면서 나타나는 침하. 침하면적

은 작으나 조건에 따라 수백m 심도까지 전이 가능(그림 3-8)

- Plug형 침하: Dyke나 fault와 같이 거의 수직인 지질구조에 의하 침하로 전단강도가 작은 면을

따라 자중에 의해 미끄러짐으로 갑작스럽게 발생하는 침하. 침하에 따른 체적팽창 없이 발생되

어 붕락높이가 크고 체굴적 침하량과 지표 침하량은 비슷, 파단각은 거의 수직인 특징을 가짐

(그림 3-9)

- Solution caving형 침하: 지하수의 용식작용에 의해 공동형성으로 발생하는 침하(석회암 지역)

(그림 3-10)

그림 3-7 Crown hole형 침하 그림 3-8 Chimney caving형 침하

그림 3-9 Plug형 침하 그림 3-10 Solution caving형 침하

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(3) 채굴법에 의한 침하형태

ㄱ. 침하 발생 요인 중 채굴공동의 영향

- 채굴공동의 크기와 모양: 채광법과 채굴정도

- 채굴공동 상반의 상태: 지질조건과 상호작용

ㄴ. 채수율이 낮은 채광법의 경우 광주의 파괴나 천반의 붕괴에 의한 침하 발생 기간이 긴 반면

채수율이 높은 채광법은 짧은 기간 내에 침하 발생 가능성이 큼

가. 장벽식 채탄법(Longwall mining method)

ㄱ. 탄층이 두껍고 평탄하며 두께가 일정한 경우 적용(탄층 폭 0.6~2.5m, 경사 30° 이하의 완경사

탄층). 집약식 채탄법

ㄴ. 탄층 폭과 연장성이 불규칙하거나 급경사인 경우 적용 불가능(국내 경우에 해당)

ㄷ. 특징

- 작업면이 직선 또는 연속 계단식

- 채굴적 상반이 균형적으로 낙하

- 상반이 균일하게 침하하므로 규모와 기간 등을 비교적 정확하게 예측 가능

- 채굴적 상반의 휨 작용에 의한 인장균열에 의한 트러프형 침하 발생(그림 3-11)

그림 3-11 장벽식 채탄법에 의한 지반침하(Whittaker & Reddish, 1989)

나. 톱슬라이싱 채탄법(Top slicing method)

ㄱ. 다양한 형태의 탄층에 적용 가능, 효과적인 채탄 방법

ㄴ. 상하부 운반갱도를 하반 암석 중에서 암석승(rock raise)으로 관통하여 중단 크로스(cross)갱

도와 중단 연층갱도를 개발한 후 탄승을 50m이상 간격으로 굴상 또는 굴하하여 분층 채탄

ㄷ. 탄층을 일정 높이로 하나하나 슬라이싱하는 채탄법으로 상부지층이 연약할수록 유리함

ㄹ. 채광 후 국부적으로 변형이 집중되어 상반쪽의 지표에 인장균열이 발생되어 지표에서부터 상

반이 점진적으로 함몰이 발생하는 침하(그림 3-12)

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그림 3-12 톱슬라이싱 채탄법에 의한 지반침하(Whittaker & Reddish, 1989)

다. 중단붕락식 채탄법

ㄱ. 상하부 운반갱도를 하반 암석 중에서 암석승(rock raise)으로 관통하여 중단 크로스(cross)갱

도와 중단 연층갱도를 개발한 후 막장에서부터 후퇴하면서 붕괴를 유발시켜 채탄하는 방법

ㄴ. 채굴적 상반의 붕괴로 인해 상반 강도가 클 경우 지표에 계단식 함몰이나 트러프형 침하 발생

되거나 보안탄주 붕괴나 지하수 및 지표수 유입으로 함몰형 침하 발생 가능(그림 3-13)

그림 3-13 중단붕락식 채탄법에 의한 지반침하(Whittaker & Reddish, 1989)

라. 블록케이빙 채탄법(Block caving method)

ㄱ. 연약한 광체를 발파 방식으로 붕락시키는 채탄법

ㄴ. 광체와 상반의 강도, 단층과 같은 지질구조, 채광심도, 붕락지역 채광 후 뒷채움, 지표 지형에

의한 영향으로 함몰형 침하 발생(그림 3-14)

마. 주방식 채탄법(Room and pillar mining method)

ㄱ. 잔주식 채탄법으로서 탄층의 두께가 1m이상인 모든 형태의 탄층에 적용 가능(그림 3-15)

ㄴ. 지표침하 방지, 충전물 수급이 어려운 경우 적용 가능

ㄷ. 탄층의 두께, 경사의 완급, 상하반의 형태에 관계없이 적용 가능

ㄹ. 작업장 분산, 채수율 저하, 석탄의 자연발화 심화되는 단점

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ㅁ. 광주가 붕괴되지 않고 방과 방 사이의 십자형 교차지점에서 붕괴 발생하여 지표까지 진전될

경우 함몰형 침하 발생

ㅂ. 광주가 약화되어 전부 또는 일부분 파괴가 일어나거나 광주와 접하는 천정부나 바닥부에서 파

괴가 발생하여 넓은 지역에 완만한 침하가 일어날 경우 트러프형 침하 발생

그림 3-14 블록케이빙 채탄법에 의한 지반침하(Brady & Brown, 1985)

그림 3-15 주방식 채탄법 개념도(Brady & Brown, 1985)

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바. 위경사승붕락식 채탄법(Slant chute block caving method)

ㄱ. 석탄의 부존상태가 불규칙한 경우 적용(그림 2-16, 국내 경우 적합)

ㄴ. 장점

- 채탄작업장의 개설에 특별한 준비가 필요 없고 작업이 용이

- 막장 석탄운반은 탄승에서 중력을 이용하여 운반 가능

- 채탄에 필요한 시설장비 투자비가 적어 신규개발 탄광에 유리

ㄷ. 단점

- 탄승 갱도 연장이 김

- 탄층 상하반의 굴곡, 탄중 협석, 탄폭의 변화로 탄승의 직선화 곤란

- 채수율이 낮음

ㄹ. 채탄 채굴적이 매우 불규칙, 급경사 탄층의 경우 보안탄주나 천반 등의 장기간 풍화나 크립

(creep)현상에 의한 강도저하로 함몰형 침하 발생

그림 3-16 위경사승붕락식 채탄법 개념도

사. 슈링키지 채광법(Shrinkage stoping)

ㄱ. 캐낸 광석의 일부를 슈트(chute)에서 빼내고 나머지 광석을 깔고 상부굴착하는 채광법으로서

주로 금속광산에 적용되는 채광법(그림 3-17)

ㄴ. 한 광획의 채굴이 완료될 때까지 파쇄광석을 채굴적에 저장해 두면서 일시적 양반을 지지하는

무지보 상향채광법

ㄷ. 광상의 경사가 60°이상이고 형태가 규칙적인 경우에 적합

ㄹ. 싱크홀 형태의 침하 발생 가능

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그림 3-17 슈링키지 채광법 개념도(우재억, 1986)

3.3 지반침하에 의한 피해

(1) 피해발생 원인 및 피해정도

가. 피해발행 원인

- 피해발생 과정: 지하 탄층, 광체 채굴 -> 지하 공동 형성 -> 지하 채굴적에 의한 지표면 침하

현상 -> 침하 영향으로 지표 구조물의 안전사고 발생 가능

- 피해발생 원인: 침하, 경사, 만곡, 수평이동, 신축 등 지반운동을 일으키는 주요한 5요소(그림

3-18)

ㄱ 침하에 의한 피해

- 지표구조물의 침수로 인한 구조물의 골조 변형

- 농경지 관수에 의한 습지화

- 천부지하 채굴로 인한 붕괴와 이것에 의한 구조물의 순간적 파괴 발생

ㄴ. 신축에 의한 피해

- 건축물: 골조의 변형에 의한 벽이나 축대의 균열 발생

- 배관: 조인트의 이완, 인장에 의한 누설

- 농경지: 균열에 의한 건수, 고갈

ㄷ. 만곡에 의한 피해

- 지표구조물의 골조 변형

- 도관류의 만곡현상에 의한 누설

- 콘크리트 구조물의 만곡현상에 의한 균열로 파괴 발생

ㄹ. 광산개발로 형성된 지하갱도 및 채굴적 붕괴에 의한 지반침하

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- 철도, 도로, 주거지 등 주요구조물의 파손

그림 3-18 지반침하 피해발생 원인

나. 피해정도

ㄱ. 영국 NCB(National Coal Board, 현재 British Coal Corporation): 지반침하에 의한 피해 정도

를 손상등급으로 평가. 지반침하에 따른 구조물의 변위와 손상 분류(표 3-3 참조)

(2) 국내외 침하사례

가. 국내 침하사례(교재 112~113페이지 참고)

ㄱ. 국내 광업은 그동안 국가정책에 따라서 생산에만 전념하여 폐광된 광산지역에서 발생하는 지

반침하에 대한 대책 수립이 미흡함에 따라 폐광에 따른 지반침하가 심각하게 대두됨. 이러한

지반침하는 가행 중뿐만 아니라 폐광 이후에 바로 발생하거나 혹은 수십 년이 경과 후에도 다

수 발생하고 있어 이로 인한 안전사고가 발생할 우려가 높음.

ㄴ. 특히 금속광산에 비해 상대적으로 지반이 연약한 석탄광산의 경우 지질조건이 매우 복잡하며

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채산성 위주의 붕락식 채탄법을 주로 적용되어 함몰형 침하가 다수 발생. 또한 광산보안법상

시설물 보호 및 지반침하 예방을 위해 철도, 도로 등 주요시설물 하부 일정심도를 보안광주 구

간으로 설정하였으나, 소규모 영세 탄광 등의 경우 이를 무시하고 채탄한 결과로 주요구조물에

지반침하가 발생하여 태백시 화전동 추전역 일대 등에서 보강공사를 다수 실시.

ㄷ. 채굴적에 의한 지반침하의 대표적인 사례

- 1993년 5월 인천시 북구 부평동에 위치한 폐금속광산인 부평광산의 채굴적이 무너져 내려 공설

묘지 약 500평이 함몰하고 묘 154기가 매몰되는 사고(그림 3-19)

- 1995년 5월 가은탄광의 채굴적 붕괴로 인한 문경시 가은읍 왕릉리 시가지 도로상에 발생한 함

몰형 침하를 들 수 있다(그림 3-20).

- 국가적인 사회간접시설 건설시 채굴적 발견(예 : 경부고속전철 상리터널부근 삼보광산)으로 철도

노선을 변경하는 등의 사례가 발생

- 탄광지역에서 함몰형 침하가 다수 발생하였으며, 특히 지질적으로 함탄층 인근에 석회암층이 존

재하는 강원도 삼척시와 경북 문경시 일부 지역의 경우에는 채굴적과 석회암 용식공동으로 인

한 복합적인 함몰형 침하가 발생한 사례

그림 3-19 부평광산 채굴적에 의한 지반침하 사례

그림 3-20 석탄공사 은성광업소 주변 지반침하 사례

나. 국외 침하사례(그림 3-21, 교재 113~114페이지 참고)

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- 폐광 후 100년이 경과된 후에도 침하 다수 발생

- 상반의 두께가 50m이하인 경우에 주로 발생

- 영국의 경우 채굴지역의 5%에 이르는 면적에서 침하 발생

그림 3-21 국외 지반침하에 의한 피해 사례

3.4 지반조사

(1) 탐문조사

가. 폐광산에 대한 갱내도, 채굴관련 기록에 대한 자료 수집의 어려움

나. 광산 종사자에 대한 증언, 해당지역 거주 주민의 증언이 공식자료 부족에 따른 문제점 보완의

유용한 수단으로 활용

(2) 침하현황조사

가. 자연적으로 노출된 지표침하의 경우 육안관찰이 가능하나 인공 구조물의 경우 침하현상을 관