Numerical analysis of rock stability challenges actuated by the extraction of a crown pillar left between open pit and underground mine: A mine-specific investigation
Açık ocak ile yer altı işletmesi arasında bırakılan eşik topuğun üretilmesi ile meydana gelen duraylılık koşullarının sayısal analizi: Bir maden özelinde inceleme
Yazar: VICTOR ABEL MASSAWE
Danışman: PROF. DR. BAHTİYAR ÜNVER
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Maden Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Eşik topuk (CP; Crown Pillar), yer altı madencilik operasyonlarını yer üstü veya açık ocak operasyonlarından ayırır. Personelin ve makinelerin güvenliğini sağlamak için havalandırmayı iyileştirir ve ocak şevlerinin duraylılığı korurken, bir yer altı madenini su baskını ve kaya düşmesi risklerine karşı korur. Çevreleyen kaya kütlesinin stabilitesini garanti altına almak için optimum CP kalınlığının doğru bir şekilde belirlenmesi çok önemlidir ve kapsamlı bir analiz gerektirir. Yıllar boyunca görgül yaklaşımlardan gelişmiş üç-boyutlu sayısal yöntemlere kadar çok sayıda tahmin yöntemi geliştirilmiştir. Ancak kaya kütlesi özellikleri ve kazı geometrisi gibi değişkenler, her bir madene özgü tahminlerde farklı sonuçların elde edilmesine neden olabilir. CP'de bulunan cevher genellikle bir kayıp olarak kabul edilir, ancak bazen CP'den yüksek tenörlü cevher üretim ihtiyacı doğabilir. Normal olarak CP'de bulunan cevher üretiminin maden ömrünün (LoM) sonuna doğru üretim işleminin planlanması geleneksel bir uygulamadır. Yüksek kaliteli cevherin CP'den çıkarılması, dengesiz ocak eğimlerine neden olabilir ve dolgu, doğal olarak oluşan bir kaya kütlesi ile aynı düzeyde mukavemet veya desteğe ulaşamayabilir. Maden kapanma aşamasında, özellikle ocağın uzun vadeli sürdürülebilirliğini etkileyen faktörlere odaklanılarak bu koşullar ele alınmaktadır. Bu, yerel topluluk ve ekosistem için çevresel faydaların öncelikli olarak değerlendirilmesini içerir. Örneğin, CP dolgu malzemesinin açık ocak içinde su tutmaması ve bunun sonucunda yer altı ortamının kirlenmesi riski vardır. Bu tez, CP'nin tasarlanması ve çıkarılmasıyla ilgili istikrar koşullarını ele almayı amaçlamaktadır. Aynı zamanda, maden kapanma üzerine güvenli bir maden ocağı gölü oluşturmayı amaçlayan rehabilitasyon stratejileri de önermekte ve yerel toplumu ve ekosistemi olumlu yönde etkileyebilecek sürdürülebilir bir çevre stratejisi sunmaktadır. Bu hedeflere ulaşmak için Tanzanya'daki bir altın madeni olan Bauhinia Creek Madeni'nden alınan bir örnek olay çalışması kullanılmıştır. Örnek çalışmanın geometrik, jeomekanik özellikleri, yerinde gerilmeler ve jeoteknik verileri; CP kalınlığını doğrulamak, CP'de bulunan cevher üretimini simüle etmek ve duraylılık değerlendirmesi yapmak için kullanılan FLAC3D ve 3DEC sayısal modellerini oluşturmak için kullanılmıştır. Sonuçta ocak gölünün tabanını oluşturmak için en iyi dolgu malzemeleri önerilmektedir. Bu tez, CP'nin üretilmesi sonrasında açık ocak şevindeki hasarın olduğunu göstermektedir. Duraylı olmayan ocak eğimleri ve özellikle ocak tabanına yakın gevşek kayalar, ocak gölündeki suyu kirletebilir ve böylece Asit Maden Drenajına (AMD) katkıda bulunabilir. Tez, açık ocağın, eğimlerin göreceli stabiliteye ulaşacağı bir seviyeye kadar doldurulmasını önermektedir. Bu, açık ocak gölünde suyun tutulması ve AMD oluşumunun azaltılması için uygun boyutlarda iyi paketlenmiş kaya malzemelerinin kullanılmasını içerir.

Abstract:
Crown pillar (CP) separates underground mining operations from surface or open pit operations. It protects an underground mine against the risks of flooding and rockfalls, all while improving ventilation and maintaining pit slope stability to ensure the safety of personnel and machinery. Accurately determining the optimal CP thickness to guarantee the stability of the surrounding rock mass is crucial and requires thorough analysis. The ore contained within the CP is often considered as a loss, yet occasionally, the need to extract high-grade ore from the CP is realized. The extraction of the high-grade ore in the CP may result in unstable pit slopes and the backfill may not achieve the same level of strength or support as a naturally occurring rock mass. During the mine closure phase, these challenges are addressed, particularly focusing on factors that impact the long-term sustainability of the pit. This includes considering environmental benefits for the local community and ecosystem as a priority. This doctoral thesis employs an integrated approach that combines a case study with both continuum and discontinuum numerical methods to analyse the stability of the CP during its initial establishment and subsequent extraction. In order to accomplish the objective, a case study obtained from Bauhinia Creek Mine, a gold mine located in Tanzania, is employed in conjunction with Itasca codes, namely FLAC3D and 3DEC. The case study incorporates various geometric and geomechanical properties, including in-situ stresses and geotechnical data, which are utilized to construct numerical models in FLAC3D and 3DEC. These models serve multiple purposes, such as validating the thickness of the CP estimated earlier with an empirical scaled span method, simulating the extraction process of the CP, and conducting stability assessments. Subsequently, the deformed part of the FLAC3D model is replicated in 3DEC to analyse the influence of discontinuities and verify the failure mechanism.  Ultimately, this thesis suggests the creation of a sustainable pit lake during mine closure and rehabilitation phase, including fill materials that form a base of the pit lake. Generally, this thesis demonstrates that extracting CP significantly increases the extent of failure in the hanging wall and pit slope. Unstable pit slopes and loose rocks, particularly near the pit floor, can contaminate water in the potential pit lake, thereby contributing to Acid Mine Drainage (AMD). The thesis concludes by suggesting the filling of the pit to a specific level where the slopes of the pit attain a state of relative stability, using well-packed rock materials of appropriate sizes. The author hopes that the objective of this thesis will make a substantial contribution to the understanding of CP estimation and extraction, which represents a crucial connection between mining practices and environmental concerns.