Yeraltı maden işletmelerinde üç boyutlu jeoteknik ve tahkimat modelleme

Abstract

Yeraltı madencilik tahkimat tasarımı üretim faaliyetlerinin güvenliği ve sürdürülebilirliği açısından kritik öneme sahiptir. Tahkimat tasarımı aşamalarının doğru yürütülebilmesi için kaya kütlesinin mühendislik özellikleri ayrıntılı olarak ortaya konulmalıdır. Özellikle derin yeraltı koşullarında kaya kütlesi, sürekli değişen gerilme ve jeolojik etkenler nedeniyle öngörülmesi güç bir davranış sergilemektedir. Bu nedenle jeoteknik özelliklerin mekânsal dağılımının jeoistatistiksel yöntemlerle modellenmesi gerekmektedir. Bu çalışma temelde iki hedef doğrultusunda yürütülmüştür. Birincisi, yeraltı madenciliğinde artan derinlikle birlikte yoğunlaşan kaya kütlesi belirsizliğini azaltmaktır. İkincisi ise henüz doğrudan etkileşime geçilmemiş bölgelerin jeomekanik yapısının önceden kestirimi yoluyla tahkimat tasarım sürecinin daha öngörülebilir hale getirilmesidir. Bu doğrultuda jeoteknik sondaj verilerinden hareketle üç boyutlu jeoteknik blok model oluşturulmuştur. Bu blok modelden elde edilen Q değerleri doğrultusunda tahkimat tasarımı yapılmıştır. Elde edilen jeoteknik blok model kullanılarak RS3 yazılımında üç boyutlu nümerik analizler yapılmıştır. Çalışma kapsamında, Gümüştaş Madencilik Niğde Bolkar yeraltı polimetalik maden işletmesinde toplam uzunluğu 2566 metre olmak üzere 10 adet jeoteknik sondaj gerçekleştirilmiştir. Sondaj karotları üzerinde yapılan detaylı incelemeler ve analizler sonucunda kaya kütle sınıflama sistemlerinden olan Q, RMR ve GSI değerleri elde edilmiştir. Elde edilen bu veriler jeoteknik veri tabanının oluşturulması için belirlenen bir sistematik doğrultusunda Micromine madencilik yazılımına aktarılmıştır. Veri güvenliğinin kontrolü için detaylı doğrulama işlemleri yapılmıştır. Verilerin mekânsal dağılımının incelenmesi için jeoistatistiksel analizler gerçekleştirilmiştir. İlk olarak Q, RMR ve GSI parametrelerinin veri kalitesinin incelenmesi için keşifsel veri analizi yapılmıştır. Q parametresinin sağa çarpık dağılım sergilediği görülmüş, bu nedenle logaritmik dönüşüm uygulanarak analizler LogQ üzerinden sürdürülmüştür. RMR ve GSI ise normale yakın dağılım gösterdiğinden herhangi bir dönüşüme gerek duyulmamıştır. Keşifsel veri analizinin ardından deneysel variogram hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Kuyu içi, yönsüz ve yönlü olmak üzere üç farklı variogram türü değerlendirilmiş ve her parametre için en iyi korelasyonu sağlayan model seçilmiştir. Yönlü variogram analizleri, kaya kütle özelliklerinin 130--170 m menzil değeriyle mekânsal süreklilik gösterdiğini ortaya koymuştur. Variogram modellerinin güvenilirliğini test etmek için çapraz doğrulama işlemi gerçekleştirilmiştir. Çapraz doğrulama adımı sonucunda gerçek ile tahmin değerleri arasında saçılım grafiği oluşturulmuş ve korelasyon katsayısı elde edilmiştir. LogQ için 0,884, RMR için 0,913 ve GSI için 0,845 korelasyon katsayısı hesaplanmıştır. Bu değerlerin tamamı, jeoteknik kestirimler için kabul edilen 0,80 eşiğini aşarak modelin güvenilirliğini doğrulamıştır. Sıradan kriging yöntemiyle Q, RMR ve GSI parametrelerine ait jeoteknik blok modeller oluşturulmuştur. RMR sınıflamasında blokların yüzde 96'sı, GSI sınıflamasında ise yüzde 93'ü orta ve iyi kalite aralığına girmiştir. Q sisteminin logaritmik ölçeği ve daha ayrıntılı sınıflandırma yapısından kaynaklı dağılım diğer iki sınıflamadan farklı seyretmiştir. Blokların yaklaşık yarısı zayıf ve çok zayıf kategoride yer almıştır. Jeoteknik blok model kullanılarak üç boyutlu tahkimat tasarım modeli oluşturulmuştur. Tahkimat tasarımı Q sistemine ait destek abağına göre yapılmıştır. Çalışma sahasındaki imalat türlerine özgü ESR değerleri belirlenerek model içindeki her blok için tahkimat sınıfı tayini yapılmıştır. Modelde toplam blokların yüzde 81,2'si Sınıf 1'e karşılık gelmektedir. Bu sonuç, sahadaki tahkimat gereksiniminin büyük ölçüde düşük yoğunluklu kategoride kaldığını göstermektedir. Yeraltı maden galerileri RS3 yazılımında sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak üç boyutlu olarak modellenmiştir. Analizler tahkimat öncesi ve tahkimat sonrası olmak üzere iki aşamada yürütülmüştür. Her iki aşamada da yer değiştirme miktarları ve plastikleşme zonu boyutları değerlendirilmiştir. Nümerik analizler için 12 farklı kazı senaryosu oluşturulmuştur. Dört litolojik birimden (Bolkar mermeri, ofiyolit, dayk ve cevher zonu) zayıf, orta ve iyi kaya kütle kalitesini temsil eden galeriler ele alınmıştır. Nümerik analiz çıktılarında tahkimat öncesi ve tahkimat sonrası yer değiştirme ve plastikleşme zonu boyutlarının değişimleri üç boyutlu olarak sunulmuştur. Analiz sonuçları, uygulanan tahkimat sisteminin yer değiştirme miktarları ve plastikleşme zonu boyutlarını belirgin ölçüde azalttığını göstermiştir.