KIGAM 한국지질자원연구원

지구에는 인류가 필요로 하는 유용한 물질이 무수히 많이 부존 한다.

이러한 유용한 물질 덕분에 자연에서 시작된 인류의 삶은 번영하고 발전하기 시작했다.

덕분에 현재와 같은 완벽하고 화려한 문명을 완성할 수 있었다.

인류의 문명이 발전하는 데 가장 큰 영향을 미친 것이 있으니, 바로 ‘광물자원’이다.

광물자원은 현재뿐만 아니라 미래의 운명을 움켜쥔 아주 중요한 물질이다.

광산을 개발해야 하는 이유다.

광물자원을 담은 지구

광산과 광산 연구를 위한 체계적인 단계

Geoscientist. 이동길 박사

모든 일상에 광물자원이 있다
아침에 일어나 ‘세면대’에서 세수를 하고 ‘숟가락’과 ‘젓가락’을 이용해 밥을 먹고, ‘양변기’에서 볼일을 본다. 등교나 출근을 위해 ‘버스’를 타고 무료함을 달래고자 친구와 ‘휴대폰’ 메시지를 주고받는다. 지친 몸을 이끌고 ‘집’으로 돌아와 ‘전자레인지’에 식은 밥을 데우고 ‘TV’를 켜 오늘의 뉴스를 시청한다. 모두가 공감할 수 있는 평범한 일상이다. 우리가 평범하게 보내는 일상에는 특별한 어떤 요소가 들어있다. 바로 ‘광물자원’이다. 우리가 인식하지 못할 정도로 우리는 광물자원으로 구성된 수많은 물건과 시설을 이용하고 있는 것이다.
이처럼 광물자원은 인류가 생존하기 위한 필수불가결한 존재다. 하지만 누리는 것에만 익숙한 우리는 이러한 광물자원이 어디에서 왔는지, 어떻게 만들어졌는지 잘 알지 못한다. 광물자원은 어디에서부터 시작 됐을까. 지구에서 인류에게 없어서는 안 될 광물자원을 공급하는 공간이 바로 광산이다. 지구에서 광산은 유용한 광물자원을 채굴하는 장소다. 금·은·다이아몬드와 같은 귀금속류에서부터, 철·구리·아연·납·니켈과 같은 철 및 비철금속류, 우라늄·토륨과 같은 방사성 금속류, 석회석·장석·납석·모래·자갈·소금과 같은 산업 광물류, 석탄, 탄층메탄가스(Coal Bed Methane), 오일샌드(Oil Sands)와 같은 에너지 광물자원에 이르기까지 모든 광물자원을 광산에서 얻는다고 할 수 있다. 광산을 연구해야만 하는 이유가 바로 여기에 있다.

광물자원은 어디에 있을까
광물자원을 채광하기 위해서는 광물자원이 경제적 가치가 있을 정도로 연속적으로 농집되어 있어야 한다. 광물자원이 이처럼 농집되어 있어 경제적으로 채광할 수 있는 부분을 ‘광체’라 하는데, 광체는 지표 인근이나 지하 심부에 위치한다. 또 광체의 위치, 형상에 따라 광산은 ‘지표에서 구덩이 형태(surface mines)’나 ‘지하에서 갱도를 뚫어 채광하는 형태(underground mines)’로 나타난다. 따라서 광산은 지구 영역에서 보자면 지표 하부에서부터 경제적이고 기술적으로 채광할 수 있는 범위까지라 할 수 있다.
광체를 개발하기 위해서는 체계적이고 단계적으로 진행해야 한다. 무분별한 개발은 다양한 문제를 초래하기 때문. 무분별한 채광으로 비탈면이나 갱도가 붕괴할 수 있다. 이는 인명피해로 이어지고 조업을 중단해야 하는 상황까지 만들 수 있다. 수계 오염, 분진, 지반 침하, 사면 붕괴, 대기 오염 등 여러 환경 문제를 유발하기도 한다. 이는 현세대뿐만 아니라 미래 세대까지 영향을 미치는 중대한 사안으로 선제적인 대응이 필요하다. 채광 심도가 깊어질수록 분진, 가스, 지열이 발생해 작업자에 진폐증, 규폐증을 유발할 수 있다. 열과 습도가 높아 작업 효율을 떨어뜨릴 수도 있다. 때문에 효율적으로 광산을 채광하기 위해서는 광산에 대한 총체적인 이해가 전제되어야 한다. 광산을 제대로 이해하고 연구하는 것이 필요하다.

안전하고 경제적이며 효율적인 광산개발을 위한 최적 광산설계 연구
KIGAM은 효율적이며 경제적으로 채광하는 기술, 작업자의 건강과 안전을 지키고 쾌적한 작업 환경을 마련하기 위한 기술, 광산개발로 인한 환경문제를 예측해 선제적으로 대응하기 위한 기술을 개발하고 있다. 이러한 요소기술을 광산 환경에 적용해 최적의 효과를 얻기 위해서는 모든 기술을 종합한 광산설계 기술이 필요하다. 광산설계 기술은 3D 지질모델링, 매장량 평가, 광산 설계, 경제성 평가의 순서로 진행된다.
3D 지질모델링이란 광물자원의 위치, 부존량, 형태, 품위 등 지질 정보를 3차원으로 모사하는 과정이다. 일반적으로 광산의 부존 가능성을 평가하기 위해 지질 조사와 탐사 과정이 이뤄진다. 이후 노두 및 시추 탐사를 거쳐 광체를 확인한다. 규칙적인 패턴의 시추 탐사를 통해 지질단위 및 광체의 착맥된 부분이 확인되면, 이를 바탕으로 광체와 지질 경계를 따라 2차원 지질 단면도 만들 수 있다. 이렇게 만들어진 2차원 지질 단면을 여러 개 겹치면 3차원 형상으로 제작할 수 있다. 3D 지질 모델링은 광체의 위치 정보를 3차원으로 보여주기 때문에 더욱 정확하고 체계적인 광산설계를 돕는다.
지금까지 언급한 3차원 지질모델링 기법은 지질 또는 광체의 경계, 형상, 크기만을 파악할 수 있고 광체 내부의 상세한 정보는 파악할수 없다. 이러한 단점을 보완하고자 지질단위를 작은 사각 블럭으로 나누고 그 중심에 품위, 밀도, 암종 등의 여러 값을 갖도록 하는 블럭모델링(block modeling)을 함께 수행한다. 블록 모델링에 지구 통계적인 기법을 적용하면 값을 모르는 블록에 값을 예측해 부여할 수 있기 때문에 지질단위 내부의 상세한 정보를 평가할 수 있다. 이러한 방법으로 광체의 양과 품위분포를 파악할 수 있는데, 이를 매장량 평가라고 한다. 이러한 방식으로 평가된 광량은 지하에 부존된 양이지 실제 우리가 캐낼 수 있는 양이 아니다. 기술적 및 경제적으로 캐낼 수 있는 실질적인 광량(가채광량)은 광산설계와 경제성 평가를 통해 평가될 수 있다.
광산설계는 광체의 부존 특성과 개발 여건에 적합한 채광법을 대상으로 광산개발에 필요한 다양한 요소기술을 종합적으로 고려해 광산개발 설계안을 만드는 과정이다. 이는 광산 개발에 필요한 최적의 기술을 설계하는 일로, 다양하고 복합적인 기술이 필요하다. 핵심적으로 적용되는 기술로는 광체와 주변 여건을 종합적으로 고려한 채광법 평가, 쾌적한 공기를 공급하는 광산 통기 기술, 갱도·채굴적·사면을 안정적으로 유지시키는 안정성 평가기술, 광산에서 발생하는 지표수와 지하수의 출수량을 예측하고 관리하는 광산배수 기술, 광석과 폐석을 효율적으로 운반하기 위한 운반설계 기술, 광산 단위작업에 대한 설계 및 평가기술, 광산시설의 관리 및 운영 기술, 생산계획수립을 위한 스케줄링 설계 기술 등이다. 이처럼 광산설계 결과는 다양한 기술을 융·복합적으로 집약한 결정체라 할 수 있다.
광산을 개발하는 이유는 무엇보다 경제적인 이유가 가장 크다. 때문에 ‘경제성 평가’를 통해 광산개발로 인한 수익과 손실을 평가해야 한다. 광산개발은 최소 수년~수십 년 이상의 시간이 소요된다. 이 기간 경제성에 영향을 미치는 예상하지 못한 사건들이 일어날 수 있다. 이를 위해 경제성에 영향을 미치는 주된 인자를 평가 및 예측하고 변동성에 대한 리스크를 평가한다. 경제성 평가는 광산 설계안에 따라 달라진다. 따라서 여러 가지 광산 설계안에 대해 평가를 수행해 최적의 광산설계안을 선정하는데 활용된다.

미래를 위한 연구
전 세계적으로 광산의 생산성을 향상시키기 위한 연구가 활발하다. KIGAM 역시 채광 효율을 높이고 광물자원의 생산성을 높이고자 다양한 광산 연구를 진행하고 있다. 특히 2017년부터 ㈜청주석회에서 3D 광산 데이터베이스 구축, 광산 통기 기술 개발, 광산 안정성 평가 기술 개발, 광산 개발 공정 평가와 관련된 연구를 수행하고 있다. 이는 광산에서 발생하는 문제를 찾아 해결하고 효율적인 광산 운영에 필요한 기술을 개발하기 위함이다. 2018년에는 다양한 요소 기술을 광산 현장에 최적화시키고 최적의 광산 설계안을 제시하고자 한다.
우리나라의 광산 개발은 1987년 석탄합리화사업 이후 정체되어있었다. 2000년 이후 광물자원 수입 원가가 상승하고 국내 기술 수요가 증가하면서 광산 연구의 필요성이 제기됐다. KIGAM은 광산 개발의 필요성에 따라 2000년 후반부터 광산 설계 및 평가 기술을 연구하고 있다. 4차 산업혁명이 대두하면서 광산 개발 기술은 다양한 IoT, 인공지능, 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅 기술 등을 적용하면서 더욱 활기를 띠고 있다. KIGAM 역시 최신 기술을 광산 기술 개발에 적용함으로써, 보다 안전하고 예측 가능하며 효율적으로 광산을 개발할 수 있는 기술을 연구해 나가고자 한다.
우리나라는 매년 약 25조 원 이상의 광물자원을 수입하고 있다. 산업 분야에서 제조업이 상당 부분을 차지하고 있는 만큼, 지속적인 경제 발전이 이뤄지기 위해서라도 광물자원을 안정적으로 확보하는 일이 필요하다. KIGAM은 광물자원 개발의 기반이 되는 광산설계 및 평가기술뿐만 아니라 열악한 국내 광업계의 현실을 반영한 다양한 적정 기술을 개발해 국내 광업이 발전하도록 하는 밑거름을 제공할 것이다.