Metalik proses artıklarının macun dolgu yöntemi ile depolanmasında uygun tasarım parametrelerinin belirlenmesi
Determination of optimum design parameters in deposition of metalic process tailings by paste backfill method
Yazar: HASAN EKER
Danışman: PROF. DR. ATAÇ BAŞÇETİN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Maden Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Madenler tarafından üretilen atıkların hacmi neredeyse üretilen hammadde hacmine eşit olabilmektedir. Bu stratejinin operasyonel fizibilitesi ile ilgili teknik, sosyal ve çevresel alanlarda tartışmalar vardır. Maden sahalarının tamamı, yılda 294 milyondan fazla atık üretmektedir ve % 93'ü Asya'da, özellikle Endonezya ve Papua Yeni Gine'deki maden sahaları tarafından üretilmektedir. Ekonomik olmayan; genellikle atık olarak bilinen ürün (yan ürün), küçük miktarlarda değerli mineraller veya metaller, kimyasallar, organikler ve proses suyundan oluşmaktadır. Son yıllarda dünyada ve ülkemizde gelişen çevresel bilinçlenme ve bu bilinçlenmeye bağlı olarak ortaya çıkan kısıtlar ve kısıtlayıcı yasalar madencilik uygulamalarında atık malzemelerin geri dönüştürülmesine ve yeniden kullanılabilir hale getirilmesine olan ilgiyi artırmıştır.
Yer altı madenciliğinde cevherin çıkarılmasından sonra büyük boşluklar oluşmaktadır. Güvenli çalışma ortamını sağlamak için oluşan bu boşlukların tamamını veya bir kısmının maden dolgusu ile doldurulmaktadır. Özellikle son yıllarda dolgu malzemesi olarak cevher hazırlama tesis artıklarının kullanılması yaygınlaşmakta olan bir uygulamadır. Maden artıklarının yer altında kullanılmasıyla, yerüstünde çok daha büyük atık barajlarının veya atık depolama alanlarının yapılmasına olan gereksinimin azalmasından dolayı atıkların yaratacağı çevresel etkilerinde azaltılmasına olanak sağlanmaktadır. Ayrıca madenin bulunduğu faaliyet alanının daha güvenli olması ve ekonomik madenciliğin oluşması için kullanılabilir bir malzeme temin edilmiş olmaktadır. Son zamanlarda en çok tercih edilen yöntemlerden biri olan macun dolgu yöntemi; çok ince boyutlardaki proses artıklarının belli bir miktarda su ve bağlayıcı ile karıştırılarak yer altı boşluklarının tutulmasında kullanılmasıdır. Bu yöntemde susuzlandırılarak katı içeriği yükseltilmiş (% 70 - % 85) tesis artıkları genellikle standart portland çimentosu veya başka bir bağlayıcı ile genellikle yerüstünde karıştırılır ve daha sonra yer altındaki açıklıkların doldurulması amacıyla pompalar ve borular yardımı ile yer altına nakledilir. Topuk olarak bırakılan cevherin sonradan kazanılmasında, üretim yapılan farklı stoplarda topuklara binen yüklerin azaltılmasında, tasmanın azaltılmasında faydalar sağlamaktadır. Dolgu olarak atık malzeme kullanıldığından dışarıdan dolgu malzemesi alımına gerek kalmamakta ya da alınacak malzeme miktarı azaltılabilmektedir. Atıkların dolguda kullanılması ile atık barajına gönderilmesi gereken atık miktarı azalmaktadır. Bu sayede artıkların kontrolü daha kolay sağlanabilmekte ve çevresel kaygılar minimize edilebilmektedir.
Bu tez çalışması kapsamında, Kastamonu-Küre'de yer alan bir bakır madeninden alınan filtrasyon çıkışı proses atıkları; su ve çimento ile karıştırılarak oluşturulan yer altı macun dolgu malzemesinin fiziksel, kimyasal, mekanik ve çevresel özellikleri araştırılmıştır. Böylece sistemin stabilitesi, nakliyesi ve maliyeti açısından uygulanabilirliği irdelendi ve çevreye en uygun macun dolgu karışım oranları belirlenmiştir. Ayrıca atık malzeme durumundaki zeolit, yüksek fırın cürufu, uçucu kül ve silis dumanı gibi puzolanlar çimento yerine ikame edilerek çimento oranları ve maliyetlerinde düşüş sağlanmıştır.
Sonuç olarak, % 3, % 5, % 7, % 9 ve % 11 oranlarında (ağırlıkça) CEM I 42,5 R çimento (Ç) ve çimento yerine ikame olarak çimento oranının % 10, % 20, % 30 ve % 40 oranlarında zeolit (Z), % 25, % 50 ve % 75 oranlarında Yüksek Fırın Cürufu (YFC), % 10, % 20, % 30 ve % 40 oranlarında Uçucu kül (UK) ve % 5, % 10, % 15 ve % 20 oranlarında Silis Dumanı (SD) kullanılmasıyla sabit kıvamda (18 cm/7.09 inç) macun dolgu numuneleri hazırlanmıştır. 28 günde ≥ 0.15 MPa dayanım sınır değerini bütün çimento oranlarında ve ikame edilen Z, YFC, UK ve SD oranlarında sağlandığı görülmektedir. ≥ 0.7 MPa sınır değerini; % 7, 9 ve 11 oranlarında çimento içeren, % 5 çimento - % 10 zeolit ve % 7, 9, 11 oranlarında çimento ve bütün ikame (% 10, 20, 30 ve 40) oranlarında geçilmiştir. % 7, 9 ve 11 çimento + % 25 YFC içeren numunelerde, % 9 ve 11 çimento içeren + % 50 YFC ikame edilen örneklerde bu sınır değer geçilmiştir. Ek olarak; % 7, 9 ve 11 çimento oranlarında UK içeren bütün ikame oranlarında (% 10, 20, 30 ve 40) ve % 5 çimento + % 10 UK ikame edilen numunelerde ≥ 0.7 MPa sınır değeri sağlanmıştır. Ayrıca % 5, 7, 9 ve 11 çimento oranlarında bütün SD ikame oranlarında bu değer sağlanmıştır. ≥ 4 MPa dayanım sınır değerini ise; sadece % 11 çimento içeren, % 11 Ç oranında + % 10 ve 20 Z ikame edilen, %11 Ç oranında + % 10 ve 20 UK ikame edilen % 9 ve 11 Ç oranlarında + % 5, 10, 15 ve 20 SD ikame edilen numunelerde sağlandığı görülmüştür. En yüksek dayanımın % 11 Ç oranı + % 10 SD ikamesinde elde edilmiştir. En yüksek dayanımı veren karışımlara yapılan SEM, XRD ve MIP analizleri sonucunda numunelerde oluşan dayanım kayıplarının ikincil jips oluşumu ve kullanılan atık içerisinde yüksek miktar pirit olmasından kaynaklandığı anlaşılmıştır.

Abstract:
The volume of tailings produced by mines can be almost equal to the volume of raw materials produced. There are discussions in the technical, social and environmental areas realitede to operational feasibility of this strategy. All mining sites produce more than 294 million tailings annually; 93 % are produced in Asia, particularly in Indonesia and Papua New Guinea. Uneconomic; the product (by-product), generally known as waste, consists of precious minerals or metals, chemicals, organics, and process water in small quantities. The environmental awareness in the world and in our country in recent years and the constraints and restrictive laws that have arisen due to this awareness have increased the interest in recycling and reuse of tailings materials in mining applications.
After excavation of ore in underground mining, large openings or gaps occur. In order to provide a safe working environment, all or some of these gaps are filled with paste backfill. Especially in recent years, the use of mineral processing plant tailings as filler material is a common practice. The use of mine tailings in underground enables the reduction of environmental impacts of the tailings due to the reduction of the need for larger tailings dams or tailings landfill site on surface. In addition, a safe material is provided for the operation of mine and a useful material for economic mining. One of the most preferred methods in recent years is the filler method; paste backfill is use of very fine size of mineral processing tailings by mixing with a certain amount of water and binder. In this method, dewatered (70 % - 85 %) plant tailings are usually mixed with standard Portland cement or another binder on the ground and then transported to underground with the help of pumps and pipes to fill the stope in the underground. In the recovery of ore left as a stope, it provides benefits in reducing the load on gabs at different stops and reducing the subsidence. As the filling material is used as tailings, there is no need to take out filler material or the amount of filling material to be taken can be reduced. By using tailings in the landfill, the amount of tailings to be sent to tailings dam decreases. In this way, control of tailings can be made easier and environmental concerns can be minimized.
Within the scope of this thesis, the process tailings of filtration is taken from a copper mine in Kastamonu-Küre; the physical, chemical, mechanical and environmental properties of the underground paste backfill formed by mixing with water and cement were investigated. Thus, the stability of the system, its transportation and its applicability in terms of cost have been investigated and the mixing ratios of the paste backfill that are most suitable for the environment have been determined. In addition, pozzolans such as zeolite, blast furnace slag, fly ash and silica fume are replaced by cement and the cement ratios and costs are reduced. 
Consequently, 3 %, 5 %, 7 %, 9 % and 11 % (by weight) of CEM I 42.5 R cement (C) and cement as a substitute for cement ratio of 10 %, 20 %, 30 % and 40 % Zeolite (Z), 25 %, 50 % and 75 % Blast Furnace Slag (YFC), 10 %, 20 %, 30 % and 40 % Fly ash (UK) and 5 %, 10 %, 15 % and 20 % using silica Fume (SD) in a constant slump (18 cm / 7.09 inches) by Paste backfill samples were prepared. It is seen that the strength limit value of ≥ 0.15 MPa in 28 days is achieved in all cement ratios and in the ratio of substituted Z, YFC, UK and SD. The limit value of ≥ 0.7 MPa; in samples containing cement at rates of 7, 9 and 11 %, samples containing 5 % cement-10 % zeolite and 7, 9, 11 % cement and all substitutes zeolite (10, 20, 30 and 40 %) were exceeded. In samples containing 7, 9 and 11 % cement + 25 % YFC, and 9 % and 11 % cement + 50 % YFC this limit value was exceeded. In addition; for the 7 %, 9 and 11 % cement ratios, all UK replacement rates (10, 20 %, 30 % and 40 %) and 5 % cement + 10 % UK substitutes were obtained. In addition, all SD substitution ratios of 5, 7, 9 and 11 percent cement ratios were obtained. the limit value of  ≥ 4 MPa; it was observed in samples containing only 11 % of cement, 11 % of C + 10 % and 20 % of zeolite substitutes, 11 % of C + 10 % and 20 % of fly ash substitutes, 9 % and 11% of samples in 5 %, 10, 15, and 20 silica fume substitutes. 11 % cement and in 10 % SD substitute on the highest strength was obtained is present. As a result of the SEM, XRD and MIP analyses performed on the highest strength mixtures, the strength losses in the samples are due to the formation of secondary gypsum and the high amount of pyrite in the tailings used.