Maden tesis atıklarının yerüstünde depolanmasında en uygun tasarım koşullarının belirlenmesi
Determination of optimum design spesifications for surface paste tailings disposal
Yazar: SERKAN TÜYLÜ
Danışman: PROF. DR. ATAÇ BAŞÇETİN ; PROF. DR. MOSTAFA BENZAAZOUA
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Günümüzde madencilik sektöründe ortaya çıkan yüksek miktardaki proses artıklarının yerüstünde depolanması çevresel açıdan birçok sorun oluşturmaktadır. Özelikle bazı artıkların içerdiği pirit (FeS2) ya da protit (FeS) gibi sülfür mineralleri ortamdaki su ve oksijen ile reaksiyona girerek okside olmaktadır. Bu durum pH değerine bağlı olarak ortamın asiditesi ve çözünebilirliğini de değiştirmekte ve literatürde asit maden drenajı (AMD) olarak bilinmektedir. Ayrıca maden işletmelerinde artıklar için geniş depolama alanı ihtiyacı ve artık depolamadaki yüksek maliyetlerin de madencilik sektöründe karşılaşılan diğer önemli sorunlar olduğu görülmüştür. Dahası mevcut artık depolama tekniklerinin bu sorunlara yeterince çözüm getiremediği, verimli ve ekonomik alternatiflerin değerlendirilmesinde de problemler yaşandığı bilinmektedir. 
Dünyada yaygın olarak kullanılan proses artıklarının konvansiyonel artık barajlarında depolanması yönteminin, son yıllarda meydana gelen artık barajı kazaları nedeniyle güvenilirliği konusu tartışmalı hale gelmiştir. Bu nedenle Kanada, Avustralya ve ABD gibi sektördeki lider ülkeler de proses artıklarının su içeriği yüksek bir şekilde depolanmasına sınırlama getirme noktasına gelmişler ve farklı çözüm arayışlarına yönelmişlerdir. Dolayısıyla artıkların yerüstünde daha düşük su içeriğine sahip bir malzeme olarak depolanması yönünde çalışmalar son yıllarda hız kazanmıştır. Bu yönde yapılan çalışmalarda kullanılan yöntemlerden biri de sunulan bu tez çalışmasının temel amacını oluşturan, artıkların "macun" kıvamına getirildikten sonra yerüstünde depolanması yöntemidir. Artıkların bu biçimde depolanmasında en önemli faktöeler; bölgenin yağış, rüzgar, nem ve sıcaklık gibi iklim şartlarının macun malzemesini etkilemesi, rehabilitasyon koşulları düşünülerek fiziksel ve jeokimyasal duraylılığını koruması ve en son olarak da topografik koşullardan dolayı malzemenin akışkanlığının kontrol edilebilmesidir. Bu sebeplerden dolayı depolanacak malzemede aranılan en önemli özellikler; artığın pompalanabilir nitelikte olması, depolandığı alanda kısa sürede kuruması, stabil kalması ve belirli oranda da suya doygun olması olarak söylenebilir. Bahsedilen bu parametreleri sistematik olarak incelemek ve irdelemek için bir akademik çalışmaya ihtiyaç duyulmuştur.
Bu tez çalışması kapsamında Balıkesir-Balya bölgesinde yer alan bir kurşun-çinko yeraltı madeni çalışma sahası olarak belirlenmiştir. Arazinin üretilen artık miktarına göre artık depolama sahaları açısından yetersizliği, metal madeni artıklarının çevresel açıdan doğurabileceği riskler ve bölgenin yağışlı bir iklime sahip olması söz konusu sahanın seçiminde dikkate alınmıştır. Bu çalışmada, ilk olarak ~%20 pülpte katı oranı (PKO) olan artık numunesinin fiziksel ve jeokimyasal özellikleri belirlenmiştir. Daha sonra 25 cm çökme (slamp) değerine göre farklı PKO (%65-%75) değerlerinde bağlayıcısız ve bağlayıcılı (≤%2 çimento) karışım reçeteleri oluşturulmuştur. Elde edilen macun malzemeler optimum depolama tasarımı için tabaka tabaka olarak 3 farklı şekilde laboratuvar tipi kabinlerde; (1) bağlayıcısız, (2) en alt tabaka bağlayıcılı ve (3) en alt ve en üst tabakalar bağlayıcılı olarak depolanmıştır. Bu kabinlerin 1., 5. ve 10. tabakalarına yerleştirilen sensörler ile macun malzemenin kılcal emme (matrik emme) basıncı, hacimsel su içeriği, sıcaklık, oksijen içeriği değerleri ölçülmüş, doygunluk derecesi ve çatlak oluşumlarındaki değişimler de zaman ve bölgenin iklimsel koşullarına göre yapılan ıslama-kuruma testlerine bağlı olarak gözlenmiştir. Bu ıslama-kuruma testleri ile depolanan macun malzemenin özellikle yağışlardan nasıl etkileneceği ortaya konulmuştur. Bununla beraber kabinin altından toplanan sızıntı suları da pH ve Ec değerleri açısından jeokimyasal analizlere tabii tutulmuştur. Ayrıca depolanan macun malzemeden en son örnekler alınarak oturma oranları ve kayma dayanımları tespit edilmiştir.
Sonuç olarak, macun malzeme depolama sisteminde ilk tabakalar döküldükten birkaç gün sonra macun malzemenin kendini sabit bir su seviyesinde tuttuğu anlaşılmıştır. Bunun yanı sıra çimentolu sistemin daha az geçirimliliğe sahip olması, üst tabakaların doygun kalmasına neden olmuştur. Böylece oksijen difüzyonu minimum ölçüde tutularak AMD riskinin önüne geçilmiştir. Ancak tabakalardaki bu suya doygunluğun özellikle Tasarım 2'de kayma dayanımını düşürdüğü belirlenmiştir. Ayrıca çimentolu tabakaların bulunduğu en alt derinliklerde oturma miktarının diğer katmanlara göre daha fazla gerçekleştiği ölçülmüştür. Bununla beraber Tasarım 3'ün en üst tabakasında yer alan çimentolu karışımın yağmur suları karşısında göçükleri engellediği ve alt tabakalara doğru istenen kohezyonu yakaladığı tespit edilmiştir.
Bu tez çalışması ile maden proses artıklarının, yerüstünde güvenli bir şekilde depolanmasını sağlayan bir tasarım geliştirilerek, sürdürülebilir bir maden üretim sürecine katkıda bulunulmuştur. Artık barajı kazalarına karşı ülkemiz açısından alternatif bu yeni depolama tekniği ile çevre dostu madencilik faaliyeti de sağlanabilecektir. Bu çalışma tüm maden artıklarının da macun şeklinde yer üstünde depolanabilirliğinin gelişmesine ön ayak olacaktır.

Abstract:
Disposal of high amount of process tailings of mining industry on surface has created many environmental problems. Especially, the tailings, which contain suphur minerals such as pyrite (FeS2) or pyrotite (FeS) affects the acidity and dissolution level of the medium through oxidation after reacting with water and oxygen depending on pH. Furthermore, larger storage area requirement for mine tailings and high costs for disposal processes are other important issues in the mining industry. Unfortunately, it is a well-known fact that conventional disposal techniques are not good enough to solve these problems. Meanwhile, there are some problems on using efficient and economical alternative methods.
A widely used method of storage of process tailings in conventional tailing dams have become controversial due to the tailing dam accidents in recent years. For this reason, leader countries in the sector such as Canada, Australia and the USA are about to limit the disposal of process tailings with high water content, and have been searching for a new solution. Therefore, the studies on the storage of tailings on surface with lower water content have been accelerated in recent years. One of these studies, which is also the main aim of this study, is the method of disposal of tailings on surface as a paste. In this method, the effect of the climatic conditions such as rainfall, wind, humidity, and temperature of the region on the paste material, maintaining of physical and geochemical stability considering rehabilitation conditions, and finally controlling the fluidity of the material due to topographic conditions are the most important factors. For these reasons, the most important features demanded from a disposal material are pumpability, drying in a short time in the disposal area, stability, and statured with water at a specific extent. 
In the scope of this thesis, a Pb-Zn underground mine in Balikesir-Balya region was chosen as the field of study. The lack of disposal areas according to tailings produced, the environmental risks of metal mine tailings, and the rainy climate of the region were considered while choosing the region in question. In this study, first, physical and geochemical properties of the tailings at 20% solid to pulp ratio were obtained. Second, the mixing properties at the paste was determined as a function of solid to pulp ratios (65-75%) according to 25 cm slump value, in the presence and absence binder (≤%2 cement).
The paste materials were stored in a laboratory scale cabin layer-by-layer in order to obtain the optimum storage design in 3 different ways: (1) without binder, (2) with binder in the lowermost layer (3) with binder in the lowermost and upmost layers. Matric suction, volumetric water content, temperature, and oxygen consumption of the paste materials were measured by sensors placed in the 1th, 5th and 10th layers. In addition saturation degree and cracks occurred in the system were observed by wetting-drying tests. Additionally, seepage water collected from the bottom of the cabins was subjected to geochemical analysis (pH and Ec). Finally, the settlement (consolidation) ratio and shear strength of the stored paste material were measured by taking samples.
As a result, in the paste material disposal system, it was understood that a couple of days after the pouring of 1th layers, the paste material kept itself in a stable water level. Furthermore, the cement containing system had less permeability, and this caused upper layers saturated. Thus, AMD risk was precluded by keeping oxygen diffusion at minimum. However, it was determinated that water saturation decreased the shear strength especially in Design 2. Moreover, at the deepest layers which contained cement, amount the settlement was more than other layers. It was confirmed that the cement in the uppermost layer of Design 3 obstructed collapse formation therewithal caused by rain water and the cohesion towards the lower layers.
By this thesis, a special design for a safe disposal of mine process tailings on surface was developed, and a sustainable mine production process was revealed. An environmental mining operation can be provided, contrary to tailing pond accidents by this new and alternative storage technique for Turkey. This study leads to develop the disposal of all mine tailings as a paste.