(재)자원산업연구원 원장
(산업부 광산안전위원장)
[투데이에너지] 채굴 작업장 내에서 암반 거동을 예측하는 기법으로 지금까지는 주로 변위측정법을 사용해 왔다. 변위측정법이란 암반에 작용하는 응력(또는 힘)의 크기가 변화함에 따라 발생되는 암반의 길이 변화량을 측정하는 방법이다.
변위를 측정하는 종래의 방법은 암반의 길이 또는 부피 변화를 정량적으로 감지하는 장점은 있으나 측정되는 양이 극도로 작기 때문에 낙반이나 갱도 붕락과 같이 한꺼번에 발생되는 암반구조물의 파괴를 사전에 예측하는 데는 한계가 있었다.
이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운 방안으로 미소진동과 미소파괴음을 측정하는 기술이 주목을 받고 있다. 미소진동과 관련된 계측 기술은 지진을 감지하는 기술과 유사하다.
채광을 진행하는 과정에 갱도와 채굴 공동 주위의 암반에 작용하는 응력이 점진적으로 증가하게 되면서 암반 내에 작은 규모의 진동 또는 음향에너지가 방출된다. 미소진동(MS: Microseismicity)과 음향방출(AE: Acoustic emission)이 그것이다.
이와 같은 현상은 채굴 작업장의 심도가 증가할수록 더 자주 발생한다. 암반이 붕락되기 직전에 이 현상이 일어나는 빈도가 한층 증대되는 것에 착안해 개발된 측정 장치가 미소진동(AE/MS) 모니터링시스템이다.
미소진동과 미소파괴음을 측정하는 기술은 1970년대부터 갱내 채굴 작업장 중 암반돌출(rock burst)이 일어나는 광산에서 이미 사용된 바 있으며(Blake and Hedley, 2004) 기술이 진보를 거듭하면서 갱내 채굴 광산과 노천 광산의 재해 예방에 확대 적용되고 있다.
미소진동 모니터링시스템을 구성하는 계측 센서의 종류로는 1축 또는 3축 센서가 있는데 3축 센서는 지진원에 대한 자료 즉 진동에너지, 모멘트 및 크기 등을 파악하고자 할 때 사용되고 있는 상황이다. 또한 1축 센서는 주로 정확한 진동 발생 지점(진원)을 파악하는데 이용된다.
미소진동과 같은 소규모의 지진파를 감지하는 시스템의 감도는 사용된 센서의 수에 직접 비례한다. 진원 위치를 파악하는 정확도 또한 계측 센서의 수에 비례하며 일반적으로 인접하는 센서 간격의 5%에서 10% 범위의 오차를 가지는 것으로 예상하고 있다(Hudyma and Brummer, 2016년).
채굴 작업 과정에 붕락이 우려되는 취약한 지점에 대한 낙반을 사전에 감지하고자 할 경우 그 지점을 중심으로 해 여러 개의 센서가 3차원적으로 둘러싸도록 배열을 해야 한다.
Lynch와 Malovichko(2006년)는 2002년부터 나미비아, 남아프리카 공화국, 호주 등에서 25개 이상의 노천 광산에 미소진동 모니터링시스템을 설치해 채광장 사면의 거동을 분석했다.
노천 광산에 미소진동 측정 기술을 적용하는 경우 실제로는 전체 채광장보다는 불안정한 특정 사면이 모니터링 대상이 된다.
노천 채광장에서는 100~200m의 간격으로 센서가 설치되고 갱내 채굴 광산의 경우에는 취약 지점으로부터 직선 거리로 100m 이내의 거리를 가지도록 설치하는 것이 적절하다.
지표 가까운 10m 이내의 짧은 수직 시추공 내에는 주파수 4.5Hz의 센서가 사용되고 길이가 100~300m의 경사공에는 14Hz의 전방향 센서(Omnidirectional geophone)가 사용된다(Lynch와 Malovichko, 2006).
최근에 국내 연구진이 자체 개발한 미소진동 모니터링시스템을 갱내 채광 현장에 설치해 3년여 동안 집중적인 측정과정을 진행한 바 있다. 그 결과 광주의 붕락 또는 낙반이 발생하기 2~3일 전에 미소진동의 발생 규모뿐만 아니라 미소진동의 빈도가 이전보다 급격히 증가하는 현상을 관측할 수 있었다.
외국의 사례와 국내 경험을 종합해 볼 때 미소진동을 지속적으로 모니터링하면 낙반이나 붕괴의 사전 징후를 적어도 2~3일 전에 감지할 수 있어 재해 위험으로부터 인명과 재산을 보호할 수 있을 것으로 본다.
전세계적으로 광산을 비롯한 채굴 작업장 내에서의 안전사고 문제는 결코 간과할 수 없는 사안으로 이를 예방하기 위한 노력은 끊임없이 이어져왔다. 이는 우리나라도 예외가 아닐 것이다.
특히 광산은 작업장이 주로 지하에 있으며 자연에 대한 도전(挑戰)을 항상 계속하게 되는 환경으로 구성돼있기 때문에 채굴 작업장과 같은 갱내외에는 다른 산업에 비해 많은 재해요인이 산재하고 있는 것이 사실이다.
이에 따라 사고를 예방하기 위한 충분한 준비가 없으면 재해가 일어날 위험성이 높다. 미소진동 감지 기술이 광산 현장에 확대 보급되기를 기대한다.