Madenköy yeraltı maden işletmesinde yeraltı açıklıklarının tahkimat tasarımı
Reinforcement design of underground openings in Madenköy underground mine
Yazar: NİLSU DURAN
Danışman: DOÇ. DR. CÜNEYT ATİLLA ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Maden Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Tahkimat tasarımının amacı, açılacak yeraltı açıklıklarının hizmet süreleri boyunca stabil durumda kalmasını sağlamaktır. Yeraltı açıklıklarının ihtiyacı olan tahkimat sistemi açıklıkların açıldıkları birimler, açıklık boyutları, kullanım süresine göre değişebilir. Tasarım çalışmaları jeoteknik verilerin derlenmesi, incelenmesini ve uygun analiz yöntemlerinin kullanılmasını içermektedir. Çalışmanın amacı, Siirt Madenköy bakır yatağının arakatlı göçertmeli üretim yöntemi ile üretilebilmesi için açılacak açıklıkların ihtiyacı olan tahkimat sistemini belirlemektir. Yeraltındaki koşulların tam olarak öğrenilmesi ve doğru bir şekilde modellenmesi için, sahanın jeolojisinin, su durumunun, malzemelerin özellikleri hakkında ki bilgilerin yeterli ve doğru olması gerekir. Veriler yeraltı koşulları ve kaya davranışları hakkında güvenilir bilgiler verecektir. Siirt, Madenköy bakır madeninde yapılması planlanan arakatlı göçertmeli üretim yönteminde kullanılacak galeriler için analitik ve nümerik yöntem kullanılarak tayin edilen tahkimat tasarımı tezin amacını oluşturmaktadır. Sahanın topografyası, litolojisi, su durumu, jeolojik durumu mevcut çalışmalardan derlenmiştir. Sondaj çalışmaları, sahanın jeoteknik yapısına sahip olunması amacı ile gerçekleştirilmiştir. Bölgede yapılan çalışmalarda, sondajlardan çıkan karotlar incelenmiş birimler ile ilgili ilk gözlemler belirtilmişti. 
Tahkimat tasarımları kaya malzemesinin deformasyon ve dayanımını tam olarak bilinmesi gerektirir. Jeoteknik veriler, sondaj çalışmaları, laboratuvar deneylerinin sonuçlarının elde edilmesi ile deney sonuçları kaya kütle sınıflama sistemlerinde parametre olarak kullanılmıştır. Q, RMR ve GSI değerleri bu parametrelerin kullanılması ile belirlenmiş, kaya kütle özelliklerinin sonuçları özetlenmiş bir şekilde tez çalışmasına eklenmiştir. Kaya kütle özelliklerinin öğrenilmesinden sonra yeraltı açıklıklarının açılması planlanan birimler belirlenmiştir. Yeraltı açıklıklarının çoğunlukla bazalt, spilit, cevher ve dissimine cevher birimlerinde açılacağı kararlaştırılmıştır. Yeraltında iki galeri türü olacaktır, üretim ve hazırlık galerileri. Hazırlık galerilerinin,  6x6 m boyutlarında, at nalı şeklinde ana imalat galerisi, primer imalat tasarımı yapılacağı kararlaştırılmıştır. Üretim galerileri iki ayrı birimde açılıp, 5x5 m ve 6x6 m boyutlarında, kare şeklinde, ikincil imalat ve kısa süreli imalat galerisi olarak iki farklı galeri hizmet süresine göre analizleri yapılacak ve buna uygun tahkimat sistemi tasarımı gerçekleştirilecektir. 
Yerinde ve teğetsel gerilmeler her bir birimi için ayrı derinlikte hesaplanmıştır. Teğetsel gerilmeler hesaplanırken yeraltı açıklıklarının derinliğini temel alarak, hidrostatik gerilme koşulları var sayılmıştır. Kaya kütle dayanımı, süreksizliklerin yapısı, sayısı, doğrultusu gibi özelliklerinden ve sağlam malzemenin yapısal özelliklerinden türetilmiştir. Tahkimat sistemlerine ihtiyacın temel nedenlerinden biri olan kaya patlamaları ve akma potansiyeli de yine tez çalışmalarıyla değerlendirilmiştir. Teğetsel gerilme ve sağlam kaya malzemesi gerilmesi olarak tanımlanan kaya patlamaları bize tahkimat tasarımında püskürtme beton varlığının gerekliliği için çalışılacak açıklama ve hesaplamaları verir. PLP biriminde, 900 metreden derin yerlerdeki açıklıklarda, DCU biriminde 600 metreden derin yerlerdeki açıklıklarda ciddi kaya patlamaları meydana gelme olasılığı çalışma faaliyetlerinin önemli çıkarımlarındandır. Kritik akma potansiyeli derinliği, davranışı 20 MPa değerinden daha küçük gerilmelere sahip birimlerde hesaplanmıştır. Akma potansiyeli değerlendirmesi, açıklığın tahkimatsız durma süresinin güvenlik adına önemini ve riskini belirtir. Kaya patlamaları ve akma potansiyeli davranış değerlendirilmesi tablolarda gösterilmiştir. PLP birimi, hafif ve orta akma, DCU birimi, orta ve yüksek akma potansiyeli gösterir. 
Tahkimat sistemi tasarımında yüksek güvenlik faktörüne sahip tahkimat yapmak amacıyla Q değeri ile galeri en büyük açıklığının kazı destek oranına bölümü ile belirlenen, açıklığın tahkimat sınıfı değeri hesaplamasında, dörtte birlik Q değerlerinin ortalaması kullanılmıştır. Böylece olabilecek olumsuz durumlara karşı hazırlıklı olunması hedeflenmiştir. Q değerinin olduğu kadar açıklık geometrisinin, açıklığın hizmet ve kullanım süresinin tahkimat tasarımına etkisi oldukça fazladır. Her bir açıklık türü için bu kestirim yapılmış ve açıklığın tahkimat sınıfı belirlenmiştir. Lifle güçlendirilmiş püskürtme beton, kaya cıvatası ve çelik hasırla güçlendirilmiş püskürtme beton tahkimat tasarımının ana tahkimat elemanlarıdır. Tahkimat tasarım elemanlarının özellikleri nümerik analiz çalışmaları ile tayin edilmiş ve çalışma da verilmiştir. Analitik yöntem kullanılarak hesaplanan sınıfların nümerik yöntem kullanılarak sağlaması yapılmıştır. Modeller her bir birimde açılacak açıklıklar için ayrı ayrı hem tahkimatlı hem tahkimatsız şekilde çalıştırılmıştır Bu uygulama sayesinde tahkimat elemanlarının mühendislik özellikleri tayin edildiği gibi, tahkimatların yeterlilikleri de tartışılmıştır.

Abstract:
The purpose of the support design is to ensure that the underground openings to be opened remain stable throughout their service life. The support system needed for underground openings may vary depending on the units where the openings are opened, the size of the openings, and the duration of use. Design studies include compiling and analyzing geotechnical data and using appropriate analysis methods. The aim of the study is to determine the support system required for the openings to be opened in order to produce the Siirt Madenkoy copper deposit with the sublevel production method. In order for the underground conditions to be fully learned and correctly modeled, information about the geology of the site, the water condition, and the properties of the materials must be sufficient and accurate. The data will provide reliable information about underground conditions and rock behaviour. Topography, lithology, water condition and geological condition of the field have been compiled from the existing studies.
Drilling works had been out to have the geotechnical structure of the site in the existing studies. Studies were carried out in the region. The first observations about the units, where the cores from drillings were examined, were specified.
Support designs require full knowledge of the deformation and strength of the rock material. Geotechnical data drilling studies, laboratory experiments and experiment results were used as parameters in rock mass classification systems. Q, RMR and GSI values were determined by using these parameters and the results of the rock mass properties were added to the thesis study with a summary. After learning the rock mass properties, the units planned to open the underground openings were determined. It is decided that underground openings will be opened mostly in basalt, spilite, ore and disseminated ore units. There will be two types of galleries underground, production and preparation galleries. It is decided that the main galleries of the preparation galleries, 6x6 m in size, will be designed as primary production in the shape of a horseshoe. The production galleries will be opened in two separate units, 5x5 m and 6x6 m, square-shaped, secondary manufacturing and short-term manufacturing gallery will be analysed according to the service period and suitable support system design will be carried out.
In situ and tangential stresses are calculated at a different depth for each unit. When calculating tangential stresses, hydrostatic stress conditions are assumed based on the depth of underground openings. It is derived from properties such as rock mass resistance, structure, number, the direction of discontinuities and structural properties of solid material. Rock burst and squeezing potential, which is one of the main reasons for the need for support systems, were also evaluated with thesis studies. Rock bursts defined as tangential stress and rock material stress give us the explanations and calculations to be studied for the necessity of the presence of shotcrete in the support design. 
The openings to be opened in the PLP unit, depths below 600 meters will have harmonious stress conditions and opening will be stable. However, at depths of more than 600 meters to 900 meters, light rock burst will be encountered, at depths of more than 900 meters. The possibility of severe rock burst has been identified and the need for high support will arise. In the openings in the SP/PLA fine grain unit, high stress, low rock spalling and slightly loosening will occur in the openings at depths less than 300 meters. The possibility of light rock burst at depths of more than 600 meters has been identified. In SP/PLA coarse grained material, each opening will have a light rock burst and moderate rock spalling. In underground openings in ORE units, there are no rock spalling at depths of less than 300 meters, and at depths of more than 600 meters there is a risk of heavy and severe rock burst. These results have demonstrated importance of duration of the clearance without support and the importance of design of support systems. The critical squeezing potential depth was calculated in units with stresses of less than 20 MPa. The yield potential assessment indicates the importance and risk of the span for non-reinforcement time for safety. Rock bursts and squeezing potential behaviour assessments are shown in the tables. PLP unit shows light and medium squeezing risk, DCU unit, medium and high squeezing potential.
In the design of the support system, in order to make a fortification with a reliable safety factor, the average of the 1st quartile of Q values was used in the calculation of the support class value of the span determined by the division of the gallery's largest opening to the excavation support ratio. Thus, it is aimed to be prepared for possible harmful situations. The openness geometry, as well as the Q value, has a considerable impact on the support design of the span and the service life. This process was performed for each type of opening and the support class of the opening was determined.
The primary production galleries opened in PLP, SP / PLA fine grain, SP / PLA coarse grain units, are in the 3rd support class. Secondary production galleries in the size of 6x6 m, which are opened in PLP, SP / PLA fine grain, SP / PLA coarse grain units, are in the 3rd support class. It was learned that the short-term production galleries were in the 1st support class. It has been learned that the square to be opened in the ORE unit is 5x5 m, 6x6 m in size and secondary production galleries are in the 1st support class. It was found that all the galleries to be opened in the DCU unit will be in the 7th fortification class. Fiber-reinforced shotcrete, rock bolt and steel mesh reinforced shotcrete are the main support elements of the support design. 4 cm fibre reinforced sprayed concrete and bolts will be applied to the galleries to be opened in the 1st support class. 6 cm fibre reinforced sprayed concrete and bolts were applied to the openings in the 3rd support class. 15 cm fibre reinforced sprayed concrete, reinforced steel mesh of sprayed concrete and bolt were applied to the openings to be opened in the 7th support class.
The properties of the support design elements were determined by numerical analysis and given in the study. Classes calculated using the analytical method are provided by using the RS2 numerical method. RS2 is a potent, 2D finite element program for soil and rock applications. Underground openings are simulated with and without support with the RS2 program. Stress, displacement, and strength factor (SF) values in the openings were determined and evaluated. The results obtained from numerical analysis processed according to the different formation, size and span type and then run showed that spray concrete and rock studs are the essential elements of the design system for each opening to be opened. Thanks to this application, the support elements engineering properties are determined, as well as the adequacy of the support.