Study on the deformation and damage characteristics of the surrounding rock and support countermeasures for the dynamic pressure roadway in deep back mining

지표면 근처의 공기가 시원하고 암석이 평온한 깊은 지하에서 터널을 파고 있다고 상상해 보십시오. 이제, 똑같은 터널을 파되, 이번에는 산의 무게가 당신을 짓누르고 열기가 사우나처럼 뜨거우며 암석이 단단한 돌이라기보다 부드러운 점토처럼 움직이는 지하 850미터 지점에서 파고 있다고 상상해 보십시오. 이것이 바로 취강탄광(Qujiang Coal Mine)의 연구원들이 마주하고 있는 "삼고일동(Three Highs and One Disturbance)"의 세계입니다.

이 논문은 채굴 작업이 머리 위에서 바로 진행되는 특정 터널(-850m 작업면)을 조사합니다. 연구팀은 이 터널이 단순히 한 가지 방식으로 파손되는 것이 아니라, 두 개의 매우 다른 "이웃 구역"으로 나뉘어 파손되며, 각 구역에는 서로 다른 도구가 필요하다는 것을 발견했습니다.

파손된 암석의 두 이웃 구역

연구진은 채굴면의 위치에 따라 터널의 손상이 두 개의 뚜렷한 구역으로 나뉜다는 것을 발견했습니다.

1. "선두 주자" 구역 (전방 교란)
채굴기가 터널 위를 지나가기 직전, 거대한 투명한 손이 터널을 아래로 밀어내고 있다고 상상해 보십시오. 이것이 전방 교란(동적 압력) 변형 구역입니다.

• 현상: 터널의 천장이 아래로 눌리며 옆으로 미끄러집니다. 마치 카드 한 덱이 테이블 위에서 밀려 나가는 것과 같습니다. 터널의 측면은 안쪽으로 찌그러지고 접힙니다. 연약한 이암(mudstone)으로 된 바닥은 너무 세게 눌려서 마치 부풀어 오르는 빵처럼 터널 안으로 솟아오르며("볼록한" 형태), 때로는 단 3개월 만에 60~70cm까지 부풀어 오릅니다.
• 해결책: 이 암석을 딱딱한 벽으로 막으려고만 해서는 안 됩니다. 그러면 그냥 부러져 버릴 것입니다. 대신, 논문은 "저항 및 양보(resistance and yielding)" 전략을 제안합니다. 자동차의 쇼크 업소버(shock absorber)를 생각하십시오. 먼저, 암석이 압력을 해소하기 위해 약간 움직일 수 있도록 허용하는 유연한 지지 구조(앵커와 망)를 사용합니다. 그 후, 암석이 안정되면 U형 강제 지보재(U-shaped steel shed)로 보강하고 모서리에 그라우팅을 주입하여 모든 것을 고정합니다. 이 조합은 암석이 완전히 고정되기 전에 잠시 숨을 쉴 수 있게 해줍니다.

2. "여파" 구역 (후방 지속)
이제 채굴기가 지나갔지만, 남겨진 탄층 기둥(coal pillar)의 압력이 여전히 위에서 터널을 짓누르고 있다고 상상해 보십시오. 이것이 후방 지속(고압) 변형 구역입니다.

• 현상: 천장은 단순히 미끄러지는 것에 그치지 않고, 안쪽으로 무너져 내리며 저자들이 "첨탑형(spire-type)" 또는 "파일론(pylon)" 형태의 손상이라고 부르는 모양을 형성합니다. 바닥은 계속 부풀어 올라 일부 구간에서는 70~120cm에 달하기도 합니다. 암석이 너무 부서져서 형태를 유지할 수 없기 때문에 터널의 측면은 안쪽으로 접혀 들어옵니다.
• 해결책: 여기서는 유연함만으로는 부족합니다. 암석은 이미 너무 많이 부서진 상태입니다. 논문은 "삼중 앵커(Three-Anchor)" 슈퍼 팀을 제안합니다. 이는 표준 볼트, 긴 강철 케이블, 그리고 부서진 조각들을 다시 붙이기 위해 암석에 시멘트를 주입하는 특수 "그라우팅 앵커"라는 세 가지 유형의 앵커가 함께 작동하는 것을 의미합니다. 이를 통해 깊고 부서진 암석을 하나로 묶어주는 강도가 높고 단단한 "지지 링(bearing ring)"을 형성합니다.

어떻게 이를 입증했는가

연구진은 단순히 추측한 것이 아니라, 실제 터널을 관찰하고 컴퓨터로 아이디어를 테스트했습니다.

• 실제 현장: 그들은 볼트와 케이블에 센서를 설치하여 힘을 측정했고, 터널 벽과 바닥의 이동량을 측정했습니다. 그들은 손상 패턴이 자신들의 두 구역 이론과 완벽하게 일치한다는 것을 확인했습니다.
• 컴퓨터 시뮬레이션: 그들은 FLAC3D라는 소프트웨어를 사용하여 거대한 3D 광산 모델을 구축했습니다. 모델의 크기는 길이 280m, 너비 240m, 높이 100m였습니다. 그들은 채굴 과정과 암석의 거동을 시뮬레이션했습니다.
• 결과: 컴퓨터 모델에 새로운 "삼중 앵커" 및 "저항 및 양보" 계획을 적용했을 때, 결과는 실제 측정값과 일치했습니다. 시뮬레이션 결과, 거대하고 연결된 "나비" 모양이었던 소성 영역(plastic zone, 암석이 파손된 구역)이 더 작고 고립된 섬 모양으로 줄어들었습니다. 터널 벽의 변위(이동량)는 성장을 멈추고 안정화되기 시작했습니다.

무엇을 배제했는가

논문은 무엇이 효과가 없는지도 명확히 밝히고 있습니다. 단일한 표준 지지 방식(예를 들어, 단순히 볼트를 더 추가하거나 단순히 강철 프레임을 사용하는 것)은 충분하지 않다고 주장합니다. 이 깊은 고압 환경의 광산에서는 암석이 너무 복잡하기 때문에 단일 유형의 지지는 실패합니다. 구체적인 구역별 전략 없이 단순히 "콘크리트를 뿌리는" 기존 방식이나 표준적인 유연 지지 방식은 볼트를 부러뜨리거나 강철 프레를 휘게 만듭니다. 논문은 전방 구역에서 딱딱한 벽으로 모든 압력에 단순히 "저항"할 수도 없으며, 후방 구역에서 보강 없이 암석이 움직이도록 그냥 "내버려 둘" 수도 없음을 명시하고 있습니다.

결론

이 연구는 깊은 채굴 터널을 안전하게 유지하려면 채굴 구역의 "앞"과 "뒤"를 서로 다른 문제로 다루어야 한다고 결론짓습니다.

• 전방에서는 강제 지보재로 고정하기 전에 압력에 따라 양보하는 유연한 접근 방식을 사용하십시오.
• 후방에서는 부서진 암석을 하나로 묶기 위해 강력한 "삼중 앵커" 팀을 사용하십시오.

저자들은 이 "구역별(zonal)" 접근 방식이 터널 붕괴를 막는 핵심이라고 제안하며, 컴퓨터 모델 또한 이 전략이 효과적임을 확인해 줍니다. 이것이 전 세계 모든 광산에 적용되는 마법의 치료제는 아니지만, 이 특정 깊은 고압 환경에서는 암석이 터널을 잔해더미로 만드는 것을 막기 위한 올바른 처방전인 것으로 보입니다.